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JP7605904B2 - High power ion beam generator system and method - Google Patents
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Description

本願は、米国仮出願第62/447,685号(2017年1月18日出願)に対する優先権を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 This application claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/447,685, filed January 18, 2017, which is incorporated herein by reference in its entirety.

(分野)
中性子および陽子の低費用、高性能で、堅調な、一貫した、一様な、高効率、かつ高電流/高・中電圧の発生を提供する高エネルギーイオンビーム発生器システムおよび方法が、本明細書で提供される。そのようなシステムおよび方法は、多種多様な研究、医療、セキュリティ、および工業プロセスのための中性子および陽子の商業規模発生のための用途を見出す。
(Field)
Provided herein are high energy ion beam generator systems and methods that provide low cost, high performance, robust, consistent, uniform, highly efficient, and high current/high to medium voltage generation of neutrons and protons. Such systems and methods find application for commercial scale generation of neutrons and protons for a wide variety of research, medical, security, and industrial processes.

(背景)
粒子加速器は、イオンを通電させ、それらを標的の中へ駆動するデバイスである。中性子発生器は、水素の同位体を融合することによって中性子を生成する粒子加速器の具体的用途である。核融合反応は、重水素、トリチウム、または2つの同位体の混合物のいずれかを、同様に重水素、トリチウム、または同位体の混合物を含む標的の中へ加速することによって、行われる。重水素原子の核融合は、Heイオンおよび中性子の形成における半分の時間をもたらし、他方の半分は、H(トリチウム)イオンおよび陽子の形成をもたらす。重水素およびトリチウム原子の核融合は、Heイオンおよび中性子の形成をもたらす。
(background)
A particle accelerator is a device that energizes ions and drives them into a target. A neutron generator is a specific application of a particle accelerator that produces neutrons by fusing isotopes of hydrogen. A fusion reaction is carried out by accelerating either deuterium, tritium, or a mixture of the two isotopes into a target that also contains deuterium, tritium, or a mixture of the isotopes. The fusion of deuterium atoms results in the formation of 3He ions and neutrons half the time, and the other half results in the formation of 3H (tritium) ions and protons. The fusion of deuterium and tritium atoms results in the formation of 4He ions and neutrons.

粒子加速器および中性子発生器は、医療、撮像、工業プロセス(例えば、オンライン分析器、金属清浄度、未加工材料、Al系触媒、エネルギー産生)、材料分析、安全対策(例えば、核物質検出)、研究、教育、探査、セキュリティ(例えば、爆発物検出、化学兵器検出、禁制品検出)、およびイオン注入において、多数の用途を有する。 Particle accelerators and neutron generators have numerous applications in medicine, imaging, industrial processes (e.g., online analyzers, metal cleanliness, raw materials, Al-based catalysts, energy production), materials analysis, safety measures (e.g., nuclear material detection), research, education, exploration, security (e.g., explosives detection, chemical weapons detection, contraband detection), and ion implantation.

歴史的に、中性子発生は、非常に複雑かつ高価なシステムを伴い、過度のレベルの危険物を発生させるか、または使用するか、または、商業的必要性を満たすためには不十分な中性子出力を提供するかのいずれかであるアプローチを採用してきた。高い中性子レベルを生成することが可能な放射能源は、多くの安全上の考慮事項を要求する、有害量の放射線を含む。中性子はまた、大きい収率を伴うが、実質的な費用および動作の複雑性において、加速器(例えば、サイクロトロン、ファンデグラフ加速器、LINAC)を用いた核反応によって生成されることもできる。重水素・トリチウム(DT)反応を使用する中性子発生器の使用は、安全上の問題のうちのいくつかに対処したが、トリチウム含有量により、密閉を要求し、典型的には、短い寿命を有した。重水素・重水素(DD)中性子発生器の使用の試行は、DT反応と比較したDD反応の約100倍低い融合断面積により、限定された成功をもたらしている。 Historically, neutron generation has employed approaches that either involve very complex and expensive systems, generate or use excessive levels of hazards, or provide insufficient neutron output to meet commercial needs. Radioactive sources capable of producing high neutron levels contain harmful amounts of radiation, requiring many safety considerations. Neutrons can also be produced by nuclear reactions using accelerators (e.g., cyclotrons, van de Graaff accelerators, LINACs), with large yields but at substantial cost and operational complexity. The use of neutron generators using the deuterium-tritium (DT) reaction has addressed some of the safety issues, but due to the tritium content, they required sealing and typically had a short lifespan. Attempts to use deuterium-deuterium (DD) neutron generators have had limited success due to the approximately 100-fold lower fusion cross section of the DD reaction compared to the DT reaction.

既存のシステムの費用、効率の欠如、安全上の懸念、および耐久性の欠如は、それらが中性子発生器から利益を享受し得る多くの商業的用途における用途を見出すことを妨げてきた。この分野におけるこれらの問題に対処することは、非常に複雑となっており、既存のシステムの日常的な最適化または改変は、有意義もしくは実用的な解決策を提供することができていない。 The cost, lack of efficiency, safety concerns, and lack of durability of existing systems have prevented them from finding use in many commercial applications that could benefit from neutron generators. Addressing these issues in this field has become so complex that routine optimization or modification of existing systems has failed to provide meaningful or practical solutions.

低費用、高性能で、堅調な、一貫した、一様な、低ガス消費量、低燃料消費量、かつ高電流/高・中電圧の中性子および陽子発生を提供する高エネルギーイオンビーム発生器システムおよび方法が、本明細書で提供される。システムおよび方法は、以前に達成されていないスループット、費用、および信頼性のバランスを提供する。そのようなシステムは、とりわけ、半導体およびLED製造等の商業的プロセスのための実行可能な商業規模の中性子および陽子発生を提供する。 Provided herein are high energy ion beam generator systems and methods that provide low cost, high performance, robust, consistent, uniform, low gas consumption, low fuel consumption, and high current/high to medium voltage neutron and proton generation. The systems and methods provide a balance of throughput, cost, and reliability not previously achieved. Such systems provide viable commercial scale neutron and proton generation for commercial processes such as semiconductor and LED manufacturing, among others.

高性能の高エネルギーイオンビーム発生器システムおよび方法に個別かつ集合的に寄与する、多重性能増進技術が、本明細書に説明される。別様に明白に記述されない限り、または論理に反しない限り、本明細書に説明される技術の各々は、望ましい性能特徴および特性を伴う発生器を提供するために、相互と組み合わせて使用され得ることを理解されたい。本技術は、便宜上、以下のカテゴリ、すなわち、I)イオン源技術、II)インフラストラクチャ技術、III)高電圧システム技術、IV)中性子生成標的技術、V)自動制御システム技術、ならびにVI)例示的アプリケーションおよびインジケーション内にグループ化される。各グループ内およびグループ間の特定の技術は、組み合わせて使用され得る。 Described herein are multiple performance enhancing technologies that individually and collectively contribute to high performance high energy ion beam generator systems and methods. Unless expressly stated otherwise or contrary to logic, it should be understood that each of the technologies described herein may be used in combination with one another to provide a generator with desirable performance features and characteristics. The technologies are conveniently grouped into the following categories: I) Ion Source Technologies, II) Infrastructure Technologies, III) High Voltage System Technologies, IV) Neutron Generation Target Technologies, V) Automatic Control System Technologies, and VI) Exemplary Applications and Indications. Certain technologies within and between each group may be used in combination.

個別に、または集合的に、これらの技術は、関連構成要素を有する任意の高エネルギーイオンビーム発生器システムに適用され得る。技術の実施形態を例証するために、特徴の多くは、Phoenix Nuclear Labs,LLC(Monona,Wisconsin)によって採用される高エネルギーイオンビーム発生器との関連で説明される。例えば、米国特許公開第2011/0096887号、第2012/0300890号、および第2016/0163495号、ならびに米国特許第8,837,662号、および第9,024,261号(参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる)を参照されたい。しかしながら、これらの技術は、Pantechnik(Bayeux,France)、D-Pace(British Columbia,Canada)、Adelphi Tech Inc.(Rosewood City,California)(例えば、米国特許公開第2014/0179978号(参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる)参照)、Starfire Industries,LLC(Champaign,Illinois)(例えば、米国特許第9,008,256号(参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる)参照)、Thermo Fisher Scientific(例えば、米国特許第8,384,018号(参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる)参照)、およびSodern(Limeil-Brevannes,France)によるものを含む、広範囲の高エネルギーイオンビーム発生器およびその構成要素部品に適用され得ることを理解されたい。 Individually or collectively, these techniques may be applied to any high energy ion beam generator system having associated components. To illustrate embodiments of the techniques, many of the features are described in the context of a high energy ion beam generator employed by Phoenix Nuclear Labs, LLC (Monona, Wisconsin). See, for example, U.S. Patent Publication Nos. 2011/0096887, 2012/0300890, and 2016/0163495, as well as U.S. Patent Nos. 8,837,662, and 9,024,261, which are incorporated herein by reference in their entirety. However, these technologies are not available from Pantechnik (Bayeux, France), D-Pace (British Columbia, Canada), Adelphi Tech Inc. It should be understood that the present invention may be applied to a wide range of high energy ion beam generators and their component parts, including those from Starfire Industries, LLC (Rosewood City, California) (see, e.g., U.S. Patent Publication No. 2014/0179978, which is incorporated herein by reference in its entirety), Starfire Industries, LLC (Champaign, Illinois) (see, e.g., U.S. Patent No. 9,008,256, which is incorporated herein by reference in its entirety), Thermo Fisher Scientific (see, e.g., U.S. Patent No. 8,384,018, which is incorporated herein by reference in its entirety), and Sodern (Limeil-Brevannes, France).

そのようなシステムの用途は、限定されないが、半導体製造(例えば、光起電半導体用途のためのシリコン割断)、同位体生成および分離、サイクロトロン注入システム、加速器質量分析、セキュリティ(例えば、爆発物検出)、工業的診断および品質管理、ならびに撮像を含む。サイクロトロンは、医療および工業分野を横断して広く使用されている。イオンビームは、半導体業界では、広範囲の設定で使用される。より良好なイオン源は、全ての現代のICベースの技術の構成単位である、回路構成要素のためのより安価、より効率的、かつより効果的な生産技法に変わる。別の実施例では、負イオン源は、磁場閉じ込め核融合エネルギーの分野で用途を見出す。 Applications of such systems include, but are not limited to, semiconductor manufacturing (e.g., silicon fracturing for photovoltaic semiconductor applications), isotope production and separation, cyclotron injection systems, accelerator mass spectrometry, security (e.g., explosives detection), industrial diagnostics and quality control, and imaging. Cyclotrons are widely used across medical and industrial sectors. Ion beams are used in a wide range of settings in the semiconductor industry. Better ion sources translate into cheaper, more efficient, and more effective production techniques for circuit components, the building blocks of all modern IC-based technology. In another example, negative ion sources find application in the field of magnetic confinement fusion energy.

何十年間も、科学者らは、核融合反応に基づくエネルギー源が事実上無害な副生成物とともに本質的に無限量のクリーンエネルギーを潜在的に提供し得るため、それを開発しようとしてきた。核融合エネルギー技術は、過去数十年にわたって大いに前進してきたが、クリーン核融合エネルギー原子炉の開発を妨げてきた、いくつかの技術的課題が、依然として存在する。核融合エネルギーによって直面される1つの課題は、信頼できない高電流負イオン源である。既存の負イオン核融合注入器は、本明細書で議論される欠陥の多くに悩まされる、フィラメントおよび/または磁気結合プラズマを使用する。信頼性のある長い寿命の負イオン源は、イオン源変換効率、寿命、信頼性、および電流出力を著しく増加させる。 For decades, scientists have been trying to develop energy sources based on nuclear fusion reactions because they could potentially provide essentially limitless amounts of clean energy with virtually harmless by-products. Although fusion energy technology has made great strides over the past few decades, there are still several technical challenges that have hindered the development of clean fusion energy reactors. One challenge faced by fusion energy is unreliable high current negative ion sources. Existing negative ion fusion injectors use filaments and/or magnetically coupled plasmas, which suffer from many of the deficiencies discussed herein. A reliable, long-life negative ion source would significantly increase ion source conversion efficiency, lifetime, reliability, and current output.

いくつかの実施形態では、a)i)電磁波入射点を備えている近位端と、ii)電磁波出射点を備えている遠位端と、iii)近位端と遠位端との間に延び、電磁波を伝搬するように構成された外壁とを備えている、導波路と、b)導波路構成要素の内側に位置している逆インピーダンス整合構成要素とを備え、逆インピーダンス整合構成要素は、導波路の遠位端から導波路の近位端に向かって少なくとも途中まで延び、逆インピーダンス整合構成要素は、遠位端と近位端とを備え、インピーダンス整合構成要素の遠位端は、導波路の遠位端またはその近傍に位置し、逆インピーダンス整合構成要素の近位端よりも大きい断面積を有する、デバイスが、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a device comprising: a) a waveguide comprising: i) a proximal end having an electromagnetic wave entry point; ii) a distal end having an electromagnetic wave exit point; and iii) an outer wall extending between the proximal and distal ends and configured to propagate electromagnetic waves; and b) an inverse impedance matching component located inside the waveguide component, the inverse impedance matching component extending from the distal end of the waveguide at least part way toward the proximal end of the waveguide, the inverse impedance matching component having a distal end and a proximal end, the distal end of the impedance matching component being located at or near the distal end of the waveguide and having a larger cross-sectional area than the proximal end of the inverse impedance matching component.

ある実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、金属から成る。さらなる実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、水によって冷却されるように構成される。他の実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、導波路の中心線に沿って位置する。追加の実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、導波路の外壁に取り付けられた1つ以上の支持脚部によって支持される。ある実施形態では、電磁波は、マイクロ波である。さらなる実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素の遠位端における断面積は、逆インピーダンス整合構成要素の近位端における断面積の少なくとも2倍、3倍、または4倍大きい。いくつかの実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、断面積が逆インピーダンス整合構成要素の近位端から遠位端まで変化することを可能にする1つ以上の段階(例えば、2、3、4、5、6、7・・・10・・・または20個)を備えている。 In some embodiments, the reverse impedance matching component is made of metal. In further embodiments, the reverse impedance matching component is configured to be cooled by water. In other embodiments, the reverse impedance matching component is located along a centerline of the waveguide. In additional embodiments, the reverse impedance matching component is supported by one or more support legs attached to an outer wall of the waveguide. In some embodiments, the electromagnetic waves are microwaves. In further embodiments, the cross-sectional area of the reverse impedance matching component at the distal end is at least two, three, or four times larger than the cross-sectional area of the reverse impedance matching component at the proximal end. In some embodiments, the reverse impedance matching component includes one or more steps (e.g., 2, 3, 4, 5, 6, 7...10...or 20) that allow the cross-sectional area to vary from the proximal end to the distal end of the reverse impedance matching component.

さらなる実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素は、それによって、断面積が変化することを可能にする、逆インピーダンス整合構成要素の近位端から遠位端までのテーパを備えている。ある実施形態では、逆インピーダンス整合構成要素の遠位端における断面積は、デバイスが加速器システムの一部であるとき、全てまたはほぼ全ての逆流する電子を遮断するために十分に大きい。 In further embodiments, the anti-impedance matching component includes a taper from the proximal end to the distal end of the anti-impedance matching component, thereby allowing the cross-sectional area to vary. In some embodiments, the cross-sectional area at the distal end of the anti-impedance matching component is large enough to block all or nearly all backflowing electrons when the device is part of an accelerator system.

特定の実施形態では、a)電磁波源と、b)プラズマチャンバと、c)導波路および逆インピーダンス整合構成要素から成る、上記に(および本明細書に)説明されるデバイスとを備えている、システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、導波路の近位端は、電磁波源に動作可能に取り付けられ、導波路の遠位端は、プラズマチャンバに動作可能に取り付けられる。さらなる実施形態では、電磁波源は、マイクロ波源を備えている。 In certain embodiments, a system is provided herein that includes: a) an electromagnetic wave source; b) a plasma chamber; and c) a device as described above (and herein) consisting of a waveguide and an inverse impedance matching component. In some embodiments, a proximal end of the waveguide is operably attached to the electromagnetic wave source and a distal end of the waveguide is operably attached to the plasma chamber. In further embodiments, the electromagnetic wave source includes a microwave source.

いくつかの実施形態では、a)コンピュータプロセッサと、b)1つ以上のコンピュータプログラムとデータベースとを備えている非一過性のコンピュータメモリであって、1つ以上のコンピュータプログラムは、加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアを備えている、非一過性のコンピュータメモリと、c)高エネルギーイオンビームを発生させる(例えば、中性子または陽子を発生させる)加速器システムであって、非一過性のコンピュータメモリと動作可能に通信し、加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアによって自動的に調節されることが可能な以下のうちの1つ以上のサブシステム、すなわち、i)イオン源およびイオン源監視構成要素と、ii)集束ソレノイド磁石および集束ソレノイド磁石監視構成要素と、iii)管開口および管開口監視構成要素と、iv)固体またはガス標的および固体またはガス標的監視構成要素と、v)イオンビーム抽出および二次電子抑制構成要素ならびに抽出および抑制監視構成要素と、vi)ビーム発生サブシステムおよびビーム発生サブシステム監視構成要素と、vii)ビーム集束および操向サブシステムならびにビーム集束および操向サブシステム監視構成要素と、viii)加速器/抵抗器サブシステムおよび加速器/抵抗器サブシステム監視構成要素と、ix)ビーム操向サブシステムおよびビーム操向サブシステム監視構成要素と、x)加圧ガスサブシステム構成要素および加圧ガスサブシステム構成要素監視構成要素とを備えている、加速器システムとを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system includes: a) a computer processor; b) a non-transient computer memory having one or more computer programs and a database, the one or more computer programs comprising accelerator system monitoring and/or optimization software; and c) an accelerator system that generates a high energy ion beam (e.g., generates neutrons or protons), in operative communication with the non-transient computer memory and capable of being automatically adjusted by the accelerator system monitoring and/or optimization software, the system including one or more of the following subsystems: i) an ion source and ion source monitoring components; and ii) a focusing solenoid magnet and focusing solenoid magnet monitoring components. A system is provided herein that includes an accelerator system that includes: iii) a tube opening and a tube opening monitoring component; iv) a solid or gas target and a solid or gas target monitoring component; v) an ion beam extraction and secondary electron suppression component and an extraction and suppression monitoring component; vi) a beam generation subsystem and a beam generation subsystem monitoring component; vii) a beam focusing and steering subsystem and a beam focusing and steering subsystem monitoring component; viii) an accelerator/resistor subsystem and an accelerator/resistor subsystem monitoring component; ix) a beam steering subsystem and a beam steering subsystem monitoring component; and x) a pressurized gas subsystem component and a pressurized gas subsystem component monitoring component.

ある実施形態では、1)イオン源監視構成要素は、質量流量計、熱電対、冷却剤流量計、および/または圧力計を備え、2)集束ソレノイド監視構成要素は、熱電対、冷却剤流量計、電圧モニタ、および/または電流モニタを備え、3)管開口監視構成要素は、カメラ、熱電対、および/または、冷却剤流量計を備え、4)固体またはガス標的監視構成要素は、カメラ、熱電対、冷却剤流量計、および/または放射線検出器を備え、5)抽出および抑制監視構成要素は、圧力計、熱電対、電流モニタ、および/または電圧モニタを備え、6)ビーム発生サブシステム監視構成要素は、電流モニタおよび/またはエミッタンススキャナを備え、7)加圧ガスサブシステム構成要素監視構成要素は、圧力計および/またはガス分析器を備えている。 In some embodiments, 1) the ion source monitoring components include mass flow meters, thermocouples, coolant flow meters, and/or pressure gauges; 2) the focusing solenoid monitoring components include thermocouples, coolant flow meters, voltage monitors, and/or current monitors; 3) the tube opening monitoring components include cameras, thermocouples, and/or coolant flow meters; 4) the solid or gas target monitoring components include cameras, thermocouples, coolant flow meters, and/or radiation detectors; 5) the extraction and suppression monitoring components include pressure gauges, thermocouples, current monitors, and/or voltage monitors; 6) the beam generation subsystem monitoring components include current monitors and/or emittance scanners; and 7) the pressurized gas subsystem component monitoring components include pressure gauges and/or gas analyzers.

特定の実施形態では、加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアは、サブシステムの複数の異なる設定値を収集および分析し、そのようなサブシステムのための最適化された設定を計算するように構成される。他の実施形態では、加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアは、サブシステムのうちの1つ以上のものにおける設定値を変更し、加速器システムの性能を少なくとも部分的に最適化するように構成される。 In certain embodiments, the accelerator system monitoring and/or optimization software is configured to collect and analyze multiple different settings for the subsystems and calculate optimized settings for such subsystems. In other embodiments, the accelerator system monitoring and/or optimization software is configured to change settings in one or more of the subsystems to at least partially optimize the performance of the accelerator system.

いくつかの実施形態では、a)イオン源プラズマチャンバであって、プラズマチャンバから出射するビームの方向に沿った源軸を有する、プラズマチャンバと、b)少なくとも1つのイオン源磁石(例えば、ソレノイドまたは永久磁石)であって、少なくとも1つのイオン源磁石は、開口部と、少なくとも1つの外壁とを備え、イオン源プラズマチャンバは、少なくとも1つのイオン源磁石の開口部を通して延びている、少なくとも1つのイオン源磁石と、c)少なくとも1つのイオン源磁石の少なくとも1つの外壁に取り付けられているか、またはそれと一体的である少なくとも1つの受け取り構成要素と、d)強磁性エンクロージャであって、少なくとも1つのイオン源磁石およびイオン源プラズマチャンバは、強磁性エンクロージャの内側にあり、少なくとも1つのイオン源磁石は、プラズマチャンバの源軸に沿って強磁性エンクロージャの内側の複数の異なる位置に移動することができ、源軸の方向に沿って延び、受け取り構成要素と整列している少なくとも1つの縦開口部を備えている、強磁性エンクロージャと、e)縦開口部を通して延び、受け取り構成要素に取り付くように構成された少なくとも1つの調節構成要素であって、強磁性エンクロージャの内側の複数の異なる位置において少なくとも1つのイオン源磁石を固定することができる、少なくとも1つの調節構成要素とを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, the ion source plasma chamber includes: a) an ion source plasma chamber having a source axis along a direction of a beam exiting the plasma chamber; b) at least one ion source magnet (e.g., a solenoid or permanent magnet), the at least one ion source magnet having an opening and at least one outer wall, the at least one ion source plasma chamber extending through the opening of the at least one ion source magnet; c) at least one receiving component attached to or integral with the at least one outer wall of the at least one ion source magnet; and d) a ferromagnetic enclosure, the at least one ion source magnet having a source axis extending through the opening of the at least one ion source magnet. The magnet and ion source plasma chamber are inside a ferromagnetic enclosure, and at least one ion source magnet can be moved to a plurality of different positions inside the ferromagnetic enclosure along a source axis of the plasma chamber, and the ferromagnetic enclosure has at least one longitudinal opening extending along the direction of the source axis and aligned with the receiving component, and e) at least one adjustment component extending through the longitudinal opening and configured to attach to the receiving component, and capable of fixing the at least one ion source magnet at a plurality of different positions inside the ferromagnetic enclosure. A system is provided herein.

ある実施形態では、受け取り構成要素は、ねじ山付き金属コネクタ、またはスナップ受け取り器、もしくはピンホールを備えている。特定の実施形態では、調節構成要素は、ねじ山付きボルトを備えている。他の実施形態では、受け取り構成要素は、少なくとも1つのイオン源磁石(例えば、ソレノイド磁石または永久磁石)に接着される。いくつかの実施形態では、少なくとも1つのイオン源磁石は、少なくとも部分的にエポキシに包み込まれる。他の実施形態では、少なくとも1つのイオン源磁石は、2つ、または3つ、もしくは4つのイオン源磁石を備えている。追加の実施形態では、少なくとも1つの縦開口部は、少なくとも2つ、3つ、または4つの縦開口部を備えている。 In certain embodiments, the receiving component comprises a threaded metal connector, or a snap receiver, or a pinhole. In certain embodiments, the adjustment component comprises a threaded bolt. In other embodiments, the receiving component is glued to the at least one ion source magnet (e.g., a solenoid magnet or a permanent magnet). In some embodiments, the at least one ion source magnet is at least partially encapsulated in epoxy. In other embodiments, the at least one ion source magnet comprises two, or three, or four ion source magnets. In additional embodiments, the at least one longitudinal opening comprises at least two, three, or four longitudinal openings.

いくつかの実施形態では、a)直上または本明細書の他の場所に説明されるようなシステムを提供することと、b)複数の位置の中の第1の位置から複数の位置の中の第2の位置に少なくとも1つのイオン源磁石(例えば、ソレノイド磁石または永久磁石)を移動させることと、c)少なくとも1つの縦開口部を通して少なくとも1つの受け取り構成要素の中に少なくとも1つの調節構成要素を挿入することと、d)少なくとも1つの調節構成要素を少なくとも1つの受け取り構成要素に固定し、それによって、第2の位置で少なくとも1つのイオン源磁石を固定することとを含む、方法が、本明細書で提供される。ある実施形態では、少なくとも1つのイオン源磁石は、第1および第2のイオン源磁石を備え、第1および第2のイオン源磁石の両方は、第1の位置から第2の位置に移動させられ、第2の位置で固定される。 In some embodiments, a method is provided herein that includes a) providing a system as described immediately above or elsewhere herein; b) moving at least one ion source magnet (e.g., a solenoid magnet or a permanent magnet) from a first position among the plurality of positions to a second position among the plurality of positions; c) inserting at least one adjustment component into the at least one receiving component through the at least one longitudinal opening; and d) securing the at least one adjustment component to the at least one receiving component, thereby securing the at least one ion source magnet at the second position. In some embodiments, the at least one ion source magnet comprises a first and a second ion source magnet, and both the first and second ion source magnets are moved from the first position to the second position and secured at the second position.

いくつかの実施形態では、高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの金属アセンブリを備えている、製造品であって、金属アセンブリは、加速器システムの中に位置付けられているとき、高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、金属アセンブリは、第1の金属構成要素と、第2の金属構成要素と、充填金属とを備え、充填金属は、継手(例えば、ろう付け継手)において第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付ける、製造品が、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is an article of manufacture comprising a metal assembly of an accelerator system that generates a high energy ion beam, the metal assembly partially intercepting the high energy ion beam when positioned in the accelerator system, the metal assembly comprising a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint (e.g., a brazed joint).

ある実施形態では、高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの金属アセンブリを備えている、製造品であって、金属アセンブリは、加速器システムの中に位置付けられているとき、i)高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、ii)真空環境内にあり、金属アセンブリは、i)少なくとも1つの水冷チャネルと、ii)第1の金属構成要素、第2の金属構成要素、および充填金属とを備え、充填金属は、継手(例えば、ろう付け継手)において第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付ける、製造品が、本明細書で提供される。 In an embodiment, provided herein is an article of manufacture comprising a metal assembly of an accelerator system that generates a high energy ion beam, the metal assembly, when positioned in the accelerator system, i) partially intercepts the high energy ion beam and ii) is in a vacuum environment, the metal assembly comprising i) at least one water cooling channel and ii) a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint (e.g., a brazed joint).

特定の実施形態では、第1および第2の金属構成要素は、高度に熱伝導性の金属(例えば、銅、アルミニウム等)から成る。ある実施形態では、充填金属は、第1および第2の金属構成要素よりも低い融点を有する。特定の実施形態では、第1の金属構成要素は、管板を備え、第2の金属構成要素は、板栓を備えている。特定の実施形態では、充填金属は、BNi-7合金、BNi-6合金、Pd100、Pt100、Ni100、または第1および第2の金属構成要素をともにろう付けするために好適な他の金属もしくは合金から成る。ある実施形態では、第1の金属構成要素は、第1の管、管キャップ、異なる管板、および弁から成る群から選択される第1のアイテムを備え、第2の金属構成要素は、第2の管、管キャップ、異なる管板、および弁から成る群から選択される第2のアイテムを備えている。ある実施形態では、少なくとも1つの水冷チャネルは、少なくとも2つの水冷チャネル(例えば、2、3、4、5、6・・・10・・・または25個の水冷チャネル)を備えている。 In certain embodiments, the first and second metal components are comprised of highly thermally conductive metals (e.g., copper, aluminum, etc.). In some embodiments, the filler metal has a lower melting point than the first and second metal components. In certain embodiments, the first metal component comprises a tube sheet and the second metal component comprises a plate plug. In certain embodiments, the filler metal comprises BNi-7 alloy, BNi-6 alloy, Pd 100 , Pt 100 , Ni 100 , or other metal or alloy suitable for brazing the first and second metal components together. In some embodiments, the first metal component comprises a first item selected from the group consisting of a first tube, a tube cap, a different tube sheet, and a valve, and the second metal component comprises a second item selected from the group consisting of a second tube, a tube cap, a different tube sheet, and a valve. In some embodiments, the at least one water cooling channel comprises at least two water cooling channels (eg, 2, 3, 4, 5, 6...10...or 25 water cooling channels).

追加の実施形態では、a)イオンビーム(例えば、高エネルギーイオンビーム)を発生させる加速器システムと、b)金属アセンブリとを備え、金属アセンブリは、i)高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、ii)真空環境内にあるように、加速器システムの中に位置付けられ、金属アセンブリは、第1の金属構成要素と、第2の金属構成要素と、充填金属とを備え、充填金属は、継手(例えば、ろう付け継手)において第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付ける、システムが、本明細書で提供される。 In additional embodiments, provided herein is a system comprising: a) an accelerator system generating an ion beam (e.g., a high-energy ion beam); and b) a metal assembly positioned within the accelerator system such that the metal assembly i) partially intercepts the high-energy ion beam and ii) is within a vacuum environment, the metal assembly comprising a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint (e.g., a brazed joint).

いくつかの実施形態では、a)イオンビーム(例えば、高エネルギーイオンビーム)を発生させる加速器システムと、b)金属アセンブリとを備え、金属アセンブリは、i)高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、ii)真空環境内にあるように、加速器システムの中に位置付けられ、金属アセンブリは、i)少なくとも1つの水冷チャネルと、ii)第1の金属構成要素、第2の金属構成要素、および充填金属とを備え、充填金属は、継手(例えば、ろう付け継手)において第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付ける、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system is provided herein that includes: a) an accelerator system that generates an ion beam (e.g., a high-energy ion beam); and b) a metal assembly, the metal assembly positioned within the accelerator system such that the metal assembly i) partially intercepts the high-energy ion beam and ii) is within a vacuum environment, the metal assembly including i) at least one water-cooled channel; and ii) a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint (e.g., a brazed joint).

ある実施形態では、a)ろう付け技法を使用して、充填金属を用いて第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付け、金属アセンブリを生成することと、b)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの中に金属アセンブリを挿入することであって、金属アセンブリは、高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎるように位置付けられる、こととを含む、方法が、本明細書で提供される。 In one embodiment, a method is provided herein that includes: a) attaching a first metal component to a second metal component with a filler metal using a brazing technique to produce a metal assembly; and b) inserting the metal assembly into an accelerator system that generates a high-energy ion beam, the metal assembly being positioned to partially intercept the high-energy ion beam.

いくつかの実施形態では、金属アセンブリはさらに、少なくとも1つの水冷チャネルを備えている。他の実施形態では、金属アセンブリはさらに、真空環境内にあるように位置付けられる。 In some embodiments, the metal assembly further comprises at least one water cooling channel. In other embodiments, the metal assembly is further positioned such that it is within a vacuum environment.

いくつかの実施形態では、a)高電圧ドームと、b)高電圧ドームの内側に位置しているイオン源プラズマチャンバと、c)イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結された抽出構成要素と、d)i)高電圧ドームの内側に位置する排気構成要素と、ii)絶縁ホースであって、絶縁ホースの第1の部分は、高電圧ドームの内側に位置し、絶縁ホースの第2の部分は、より低い電圧のエリアにおいて高電圧ドームの外側に位置する、絶縁ホースと、iii)高電圧ドームの内側に位置し、排気構成要素および抽出構成要素に動作可能に連結された第1の真空ポンプであって、抽出構成要素からガスを除去し、ガスを排気構成要素に送達するように構成されている、第1の真空ポンプと、iv)高電圧ドームの内側に位置し、排気構成要素に動作可能に連結された第2の真空ポンプであって、第2の真空ポンプは、第1の圧力において排気構成要素からガスを受け取り、第2の圧力においてガスを絶縁ホースに送達するように構成され、第2の圧力が第1の圧力よりも高い、第2の真空ポンプとを備えている、ガス除去サブシステムとを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system is provided herein that includes a) a high voltage dome; b) an ion source plasma chamber located inside the high voltage dome; c) an extraction component operably coupled to the ion source plasma chamber; and d) a gas removal subsystem that includes: i) an exhaust component located inside the high voltage dome; ii) an insulating hose, a first portion of the insulating hose located inside the high voltage dome and a second portion of the insulating hose located outside the high voltage dome in an area of lower voltage; iii) a first vacuum pump located inside the high voltage dome and operably coupled to the exhaust component and the extraction component, configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to the exhaust component; and iv) a second vacuum pump located inside the high voltage dome and operably coupled to the exhaust component, configured to receive gas from the exhaust component at a first pressure and deliver gas to the insulating hose at a second pressure, the second pressure being higher than the first pressure.

ある実施形態では、システムはさらに、e)外側圧力容器を備え、高電圧ドーム、イオン源プラズマチャンバ、抽出構成要素、排気構成要素、第1の真空ポンプ、第2のポンプ、および絶縁ホースの少なくとも一部は、圧力容器の中に位置する。他の実施形態では、絶縁ホースは、ガスを大気に放出するように構成される。いくつかの実施形態では、ガスは、非イオン化ガスである。他の実施形態では、非イオン化ガスは、重水素ガスである。ある実施形態では、システムはさらに、ガスを備えている。特定の実施形態では、ガスは、非イオン化ガスである。追加の実施形態では、絶縁ホースは、螺旋形状を有する。さらなる実施形態では、絶縁ホースは、約20~30の螺旋形状の巻きを有し、長さが約5~15フィートである。他の実施形態では、第1の真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ、および高真空ポンプから選択されるポンプを備えている。いくつかの実施形態では、第2の真空ポンプは、粗引ポンプを備えている。他の実施形態では、システムはさらに、e)高電圧ドームの内側に位置する内側圧力容器を備え、第2の真空ポンプは、内側圧力容器の中に位置し、以下の構成要素、すなわち、高電圧ドーム、イオン源プラズマチャンバ、抽出構成要素、および第1の真空ポンプは、ポンプ圧力容器の中に位置しない。 In some embodiments, the system further comprises e) an outer pressure vessel, wherein at least a portion of the high voltage dome, the ion source plasma chamber, the extraction component, the exhaust component, the first vacuum pump, the second pump, and the insulating hose are located within the pressure vessel. In other embodiments, the insulating hose is configured to vent the gas to the atmosphere. In some embodiments, the gas is a non-ionized gas. In other embodiments, the non-ionized gas is deuterium gas. In some embodiments, the system further comprises a gas. In certain embodiments, the gas is a non-ionized gas. In additional embodiments, the insulating hose has a helical shape. In further embodiments, the insulating hose has about 20-30 helical turns and is about 5-15 feet long. In other embodiments, the first vacuum pump comprises a pump selected from a turbomolecular pump, a cryopump, an ion pump, and a high vacuum pump. In some embodiments, the second vacuum pump comprises a roughing pump. In another embodiment, the system further comprises e) an inner pressure vessel located inside the high voltage dome, the second vacuum pump is located in the inner pressure vessel, and the following components are not located in the pump pressure vessel: the high voltage dome, the ion source plasma chamber, the extraction component, and the first vacuum pump.

いくつかの実施形態では、高電圧ドームおよび抽出構成要素を有する高エネルギーイオンビーム発生システムの中に導入されるように構成されたガス除去サブシステムであって、a)高電圧ドームの内側に位置するように構成された排気構成要素と、b)絶縁ホースであって、絶縁ホースの第1の部分は、高電圧ドーム内の開口部を通して延びているように構成されている、絶縁ホースと、c)高電圧ドームの内側に位置するように構成され、排気構成要素および抽出構成要素に動作可能に連結されるように構成された第1の真空ポンプであって、抽出構成要素からガスを除去し、ガスを排気構成要素に送達するように構成されている、第1の真空ポンプと、d)高電圧ドームの内側に位置するように構成され、排気構成要素に動作可能に連結されるように構成されるように位置する、第2の真空ポンプであって、第2の真空ポンプは、第1の圧力において排気構成要素からガスを受け取り、第2の圧力においてガスを絶縁ホースに送達するように構成され、第2の圧力が第1の圧力よりも高い、第2の真空ポンプとを備えている、ガス除去サブシステムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a gas removal subsystem configured to be introduced into a high energy ion beam generating system having a high voltage dome and an extraction component is provided herein, the gas removal subsystem comprising: a) an exhaust component configured to be positioned inside the high voltage dome; b) an insulating hose, a first portion of the insulating hose configured to extend through an opening in the high voltage dome; c) a first vacuum pump configured to be positioned inside the high voltage dome and operably coupled to the exhaust component and the extraction component, the first vacuum pump configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to the exhaust component; and d) a second vacuum pump configured to be positioned inside the high voltage dome and operably coupled to the exhaust component, the second vacuum pump configured to receive gas from the exhaust component at a first pressure and deliver gas to the insulating hose at a second pressure, the second pressure being higher than the first pressure.

特定の実施形態では、a)上記または別様に本明細書に説明されるシステムを提供することと、b)抽出構成要素の中に存在するガスが、i)第1の真空ポンプによって排気構成要素へ除去され、ii)第1の圧力において排気構成要素から第2の真空ポンプによって受け取られ、第1の圧力よりも高い第2の圧力において絶縁ホースに送達され、iii)絶縁ホースによって大気に送達されるように、ガス除去サブシステムをアクティブにすることとを含む、方法が、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、抽出構成要素内のガスは、イオン源プラズマチャンバから抽出構成要素に進行した非イオン化ガスである。 In certain embodiments, a method is provided herein that includes: a) providing a system as described above or otherwise herein; and b) activating a gas removal subsystem such that gas present in the extraction component is i) removed by a first vacuum pump to an exhaust component, ii) received by a second vacuum pump from the exhaust component at a first pressure and delivered to an insulated hose at a second pressure higher than the first pressure, and iii) delivered by the insulated hose to atmosphere. In some embodiments, the gas in the extraction component is a non-ionized gas that has traveled from an ion source plasma chamber to the extraction component.

いくつかの実施形態では、a)外側圧力容器と、b)外側圧力容器の内側に位置している内側圧力容器と、c)外側圧力容器の内側に位置している排気構成要素であって、排気構成要素の一部はまた、内側圧力容器の中に位置する、排気構成要素と、d)外側圧力容器の内側に位置している絶縁ホースであって、絶縁ホースの一部はまた、内側圧力容器の中に位置する、絶縁ホースと、e)外側圧力容器の内側に位置し、排気構成要素に動作可能に連結された第1の真空ポンプと、f)内側圧力容器の内側に位置し、排気構成要素に動作可能に連結された第2の真空ポンプとを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system is provided herein that includes: a) an outer pressure vessel; b) an inner pressure vessel located inside the outer pressure vessel; c) an exhaust component located inside the outer pressure vessel, where a portion of the exhaust component is also located within the inner pressure vessel; d) an insulating hose located inside the outer pressure vessel, where a portion of the insulating hose is also located within the inner pressure vessel; e) a first vacuum pump located inside the outer pressure vessel and operably connected to the exhaust component; and f) a second vacuum pump located inside the inner pressure vessel and operably connected to the exhaust component.

ある実施形態では、外側圧力容器は、内側圧力容器内のガスよりも高い圧力においてガスを備えている。いくつかの実施形態では、内側圧力容器内のガスは、ほぼ大気圧にある。さらなる実施形態では、第1の真空ポンプは、高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの抽出構成要素に動作可能に連結されるように構成され、第1の真空ポンプは、抽出構成要素からガスを除去し、ガスを排気構成要素に送達するように構成される。追加の実施形態では、第2の真空ポンプは、第1の圧力において排気構成要素からガスを受け取り、第2の圧力においてガスを絶縁ホースに送達するように構成され、第2の圧力は、第1の圧力よりも高い。ある実施形態では、システムはさらに、抽出構成要素を備えている。さらなる実施形態では、システムはさらに、外側圧力容器の内側に位置しているイオン源プラズマチャンバを備えている。いくつかの実施形態では、抽出構成要素は、イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結される。 In certain embodiments, the outer pressure vessel comprises a gas at a higher pressure than the gas in the inner pressure vessel. In some embodiments, the gas in the inner pressure vessel is at about atmospheric pressure. In further embodiments, the first vacuum pump is configured to be operably coupled to an extraction component of an accelerator system that generates a high energy ion beam, the first vacuum pump configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to an exhaust component. In additional embodiments, the second vacuum pump is configured to receive gas from the exhaust component at a first pressure and deliver the gas to an insulated hose at a second pressure, the second pressure being higher than the first pressure. In certain embodiments, the system further comprises an extraction component. In further embodiments, the system further comprises an ion source plasma chamber located inside the outer pressure vessel. In some embodiments, the extraction component is operably coupled to the ion source plasma chamber.

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの中で高電圧において保持された少なくとも1つの高電圧構成要素と、b)少なくとも1つの高電圧構成要素に電気的に連結される(および/または機械的に連結される)、電力構成要素であって、(例えば、接地から電気的に分離される様式で)電力を少なくとも1つの高電圧構成要素に提供する、電力構成要素とを備え、電力構成要素は、Vベルトを備え、Vベルトは、複数の区分(例えば、3・・25・・・100・・・400個の区分)を備え、i)不良な電気導体またはii)非電気導体である、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system is provided herein that includes: a) at least one high voltage component held at a high voltage in an accelerator system that generates a high energy ion beam; and b) a power component electrically coupled (and/or mechanically coupled) to the at least one high voltage component, the power component providing power to the at least one high voltage component (e.g., in a manner that is electrically isolated from ground), the power component including a V-belt, the V-belt including a plurality of sections (e.g., 3...25...100...400 sections), and which is i) a poor electrical conductor or ii) a non-electrical conductor.

さらなる実施形態では、Vベルトは、ポリエステル・ポリウレタン複合材料から成る。ある実施形態では、電力構成要素は、モータと、発電機とをさらに備えている。追加の実施形態では、電力構成要素はさらに、モータに動作可能に取り付けられた第1のVベルトプーリと、発電機に動作可能に取り付けられた第2のVベルトプーリとを備えている。いくつかの実施形態では、少なくとも1つの高電圧構成要素は、イオン源プラズマチャンバを備えている。 In further embodiments, the V-belt is comprised of a polyester polyurethane composite. In some embodiments, the power component further comprises a motor and a generator. In additional embodiments, the power component further comprises a first V-belt pulley operably attached to the motor and a second V-belt pulley operably attached to the generator. In some embodiments, at least one high voltage component comprises an ion source plasma chamber.

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムであって、i)イオン源プラズマチャンバと、ii)マイクロ波を発生させるマイクロ波発生構成要素と、iii)マイクロ波発生構成要素に動作可能に連結された電源と、iv)マイクロ波を受け取り、それらをイオン源プラズマチャンバに送達するために位置付けられた導波路であって、マイクロ波がイオンプラズマチャンバ内のガスに接触すると、イオン源を発生させる、導波路と、v)イオンプラズマチャンバから低エネルギーイオンビームを抽出するようにイオン源プラズマチャンバに動作可能に連結される、イオンビーム抽出構成要素と、iv)加速器カラムと、低エネルギーイオンビームを受け取るための加速器入口開口部と、高エネルギーイオンビームを送達するための加速器出口開口部とを備えている加速器構成要素とを備えている、加速器サブシステムと、b)電源に動作可能に連結された電力変調構成要素であって、電力変調構成要素は、導波路に入射するマイクロ波が、高速でパルス化され、および/または、消滅/発生させられ、それによって、高エネルギーイオンビームを高速でパルス化する、および/または消滅/発生させるように、電源からマイクロ波発生構成要素まで流動する電力を変調するように構成される、電力変調構成要素とを備えている、システムが、本明細書で提供される。ある実施形態では、加速器システムは、直接注入加速器システムである。他の実施形態では、マイクロ波発生構成要素は、マグネトロンから成る。 In some embodiments, a) an accelerator subsystem for generating a high energy ion beam includes: i) an ion source plasma chamber; ii) a microwave generating component for generating microwaves; iii) a power source operably coupled to the microwave generating component; iv) a waveguide positioned to receive the microwaves and deliver them to the ion source plasma chamber, the waveguide generating an ion source when the microwaves contact a gas in the ion plasma chamber; v) an ion beam extraction component operably coupled to the ion source plasma chamber for extracting a low energy ion beam from the ion plasma chamber; and iv) an accelerator. Provided herein is a system comprising: an accelerator subsystem comprising a column, an accelerator component comprising an accelerator entrance aperture for receiving a low-energy ion beam, and an accelerator exit aperture for delivering a high-energy ion beam; and b) a power modulation component operably coupled to a power source, the power modulation component configured to modulate the power flowing from the power source to the microwave generation component such that microwaves incident on the waveguide are rapidly pulsed and/or extinguished/generated, thereby rapidly pulsing and/or extinguishing/generating the high-energy ion beam. In an embodiment, the accelerator system is a direct injection accelerator system. In another embodiment, the microwave generation component comprises a magnetron.

特定の実施形態では、a)上記に(および本明細書に)説明されるシステムを提供することと、b)高エネルギーイオンビームが発生させられ、高エネルギーイオンビームが高速でパルス化され、および/または、消滅/発生させられるように、加速器サブシステムおよび電力変調構成要素をアクティブにすることとを含む、方法が、本明細書で提供される。 In certain embodiments, methods are provided herein that include a) providing a system as described above (and herein); and b) activating accelerator subsystems and power modulation components such that a high energy ion beam is generated, the high energy ion beam is rapidly pulsed, and/or extinguished/generated.

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる直接注入加速器システムにおいて、加速器カラムの加速器入口から第1の距離にイオンビーム発生構成要素を位置付けることと、b)加速器カラムの入口から第2の距離にイオンビーム発生構成要素を位置付けることであって、第2の距離は、第1の距離と異なり、第2の距離は、直接注入加速器システムの性能を改良する、こととを含む、方法が、本明細書で提供される。ある実施形態では、第1および第2の距離は、10~500mmの範囲内である。 In some embodiments, a method is provided herein that includes: a) positioning an ion beam generating component in a direct injection accelerator system that generates a high energy ion beam at a first distance from an accelerator inlet of an accelerator column; and b) positioning the ion beam generating component at a second distance from the inlet of the accelerator column, the second distance being different from the first distance, the second distance improving performance of the direct injection accelerator system. In some embodiments, the first and second distances are within a range of 10-500 mm.

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる直接注入加速器サブシステムであって、加速器システムは、i)イオン源プラズマチャンバと、ii)マイクロ波を発生させるマイクロ波発生構成要素と、iii)マイクロ波発生構成要素に動作可能に連結された電源と、iv)マイクロ波を受け取り、それらをイオン源プラズマチャンバに送達するために位置付けられた導波路であって、マイクロ波がイオンプラズマチャンバ内のガスに接触すると、イオンビームが発生させられる、導波路と、v)イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結された抽出構成要素と、iv)加速器カラムと、イオンビームを受け取るための加速器入口開口部とを備えている加速器構成要素とを備えている、直接注入加速器サブシステムと、b)真空構成要素であって、抽出構成要素および/または加速器構成要素に動作可能に連結される、真空構成要素であって、抽出構成要素および/または加速器構成要素内の圧力を低減させるように構成される、真空構成要素とを備えている、システムが、本明細書で提供される。特定の実施形態では、圧力の低減は、高エネルギーイオンビームの直径を低減させるレベルにある。 In some embodiments, a) a direct injection accelerator subsystem for generating a high energy ion beam, the accelerator system comprising: i) an ion source plasma chamber; ii) a microwave generating component for generating microwaves; iii) a power source operably coupled to the microwave generating component; iv) a waveguide positioned to receive the microwaves and deliver them to the ion source plasma chamber, where an ion beam is generated when the microwaves contact gas in the ion plasma chamber; v) an extraction component operably coupled to the ion source plasma chamber; and iv) an accelerator component comprising an accelerator column and an accelerator inlet opening for receiving the ion beam; and b) a vacuum component operably coupled to the extraction component and/or the accelerator component, the vacuum component configured to reduce pressure in the extraction component and/or the accelerator component. In certain embodiments, the reduction in pressure is at a level that reduces the diameter of the high energy ion beam.

いくつかの実施形態では、a)上記に(および本明細書に)説明されるシステムを提供することと、b)高エネルギーイオンビームが、圧力の低減がない場合に有するであろうよりも小さい直径を有するように、高エネルギーイオンビームが発生させられるように、直接注入加速器サブシステムおよび真空構成要素をアクティブにすることとを含む、方法が、本明細書で提供される。 In some embodiments, methods are provided herein that include a) providing a system as described above (and herein); and b) activating a direct implant accelerator subsystem and vacuum components such that a high-energy ion beam is generated such that the high-energy ion beam has a smaller diameter than the high-energy ion beam would have in the absence of the pressure reduction.

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムであって、加速器システムは、i)高電圧ドームと、ii)高電圧ドームの内側に位置しているイオンビーム発生構成要素と、iii)加速器カラムを備えている加速器構成要素とを備えている、加速器サブシステムと、b)i)水配管と、水リザーバとを備えている水循環構成要素と、ii)加速器カラムに沿って延びている水抵抗器要素であって、水循環構成要素内の制御伝導度水循環が水抵抗器要素を通過するように、水配管に流体的に連結された、またはそれと一体である非導電性および/または絶縁管類を備えている水抵抗器要素とを備えている、水抵抗器サブシステムとを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, a system is provided herein that includes: a) an accelerator subsystem for generating a high energy ion beam, the accelerator system including: i) a high voltage dome; ii) an ion beam generating component located inside the high voltage dome; and iii) an accelerator component including an accelerator column; and b) a water resistor subsystem including: i) a water circulation component including a water piping and a water reservoir; and ii) a water resistor element extending along the accelerator column, the water resistor element including non-conductive and/or insulating tubing fluidly coupled to or integral with the water piping such that controlled conductivity water circulation in the water circulation component passes through the water resistor element.

ある実施形態では、システムはさらに、制御伝導度水を備え、制御伝導度水は、i)脱イオン水と、2)脱イオン化(DI)樹脂と、金属塩とから成る。さらなる実施形態では、加速器構成要素はさらに、加速器カラムに沿って延びている複数のグレーディングリングを備えている。追加の実施形態では、絶縁管類は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、およびポリエチレンから成る群から選択される材料から成る。さらなる実施形態では、水循環構成要素はさらに、水ポンプ、熱交換器、および/またはDI樹脂源構成要素を備えている。いくつかの実施形態では、制御伝導度水は、脱イオン水が15メガオーム-cm以上の抵抗率を有するように、十分な量のDI樹脂を含む。さらなる実施形態では、金属塩は、硫酸銅、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、硫酸マグネシウム、およびチオ硫酸ナトリウムから成る群から選択される。さらなる実施形態では、水抵抗器要素は、最大約300kV DCの電圧に耐え、最大約3kW、または最大約5kWの熱を除却することができる。 In some embodiments, the system further comprises a controlled conductivity water, the controlled conductivity water being comprised of i) deionized water, and 2) deionized (DI) resin, and a metal salt. In further embodiments, the accelerator component further comprises a plurality of grading rings extending along the accelerator column. In additional embodiments, the insulating tubing is comprised of a material selected from the group consisting of polycarbonate, polymethyl methacrylate (PMMA), and polyethylene. In further embodiments, the water circulation component further comprises a water pump, a heat exchanger, and/or a DI resin source component. In some embodiments, the controlled conductivity water includes a sufficient amount of DI resin such that the deionized water has a resistivity of 15 megaohm-cm or greater. In further embodiments, the metal salt is selected from the group consisting of copper sulfate, sodium chloride, ammonium chloride, magnesium sulfate, and sodium thiosulfate. In further embodiments, the water resistor element is capable of withstanding a voltage of up to about 300 kV DC and removing up to about 3 kW, or up to about 5 kW of heat.

特定の実施形態では、a)上記の(および本明細書に説明されるような)システムを提供することと、b)高エネルギーイオンビームが発生させられている間、制御伝導度水が水循環構成要素を通して循環し、水抵抗器要素が加速器カラムに沿った電気抵抗器として機能するように、加速器サブシステムおよび水抵抗器サブシステムをアクティブにすることとを含む、方法が、本明細書で提供される。 In certain embodiments, a method is provided herein that includes a) providing a system as described above (and described herein); and b) activating the accelerator subsystem and the water resistor subsystem such that, while a high energy ion beam is being generated, controlled conductivity water circulates through the water circulation components and the water resistor elements act as electrical resistors along the accelerator column.

他の実施形態では、a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムの構成要素に電力を送達するように構成された少なくとも1つの高電圧電力供給源(HVPS)と、b)i)水配管と、水リザーバとを備えている水循環構成要素と、ii)水循環構成要素内の制御伝導度水循環が水抵抗器要素を通過するように、水配管に流体的に連結された、またはそれと一体である非導電性および/または絶縁管類を備えている水抵抗器要素とを備えている、水抵抗器サブシステムとを備えている、システムが、本明細書で提供される。 In another embodiment, a system is provided herein that includes: a) at least one high voltage power supply (HVPS) configured to deliver power to components of an accelerator subsystem that generate a high energy ion beam; and b) a water resistor subsystem that includes: i) a water circulation component that includes a water piping and a water reservoir; and ii) a water resistor element that includes non-conductive and/or insulating tubing fluidly coupled to or integral with the water piping such that controlled conductivity water circulation in the water circulation component passes through the water resistor element.

特定の実施形態では、a)上記に説明される(および本明細書に説明されるような)システムを提供することと、b)試験負荷として水抵抗器サブシステムを使用して、少なくとも1つのHVPSを試験することとを含む、方法が、本明細書で提供される。 In certain embodiments, a method is provided herein that includes a) providing a system as described above (and as described herein) and b) testing at least one HVPS using a water resistor subsystem as a test load.

いくつかの実施形態では、a)加速器システムのプラズマレンズ開口における以下のパラメータ、すなわち、ビーム電流、抽出電圧、イオン種比率、最大電場、およびイオン電流密度をソフトウェアアプリケーションに入力することと、b)静電レンズスタックの中の少なくとも1つのレンズの設計のためにソフトウェアから出力を受信することであって、静電レンズスタックは、プラズマレンズと、抽出レンズと、抑制レンズと、出射レンズとを備えている、ことと、c)出力に基づいて少なくとも1つのレンズを加工することとを含む、レンズを設計する方法が、本明細書で提供される。ある実施形態では、ソフトウェアアプリケーションは、PBGUNSソフトウェアアプリケーションを備えている。さらなる実施形態では、少なくとも1つのレンズは、静電レンズスタックの中のレンズのうちの少なくとも2つ、少なくとも3つ、または4つ全てを備えている。さらなる実施形態では、本方法はさらに、以下のうちの少なくとも1つ、すなわち、グリッド精度、経験的に決定されたビーム中和因子、および源プラズマ内の電子およびイオン温度をソフトウェアアプリケーションに入力することを含む。 In some embodiments, a method for designing lenses is provided herein that includes: a) inputting the following parameters at a plasma lens aperture of an accelerator system into a software application: beam current, extraction voltage, ion species ratio, maximum electric field, and ion current density; b) receiving output from the software for designing at least one lens in an electrostatic lens stack, the electrostatic lens stack comprising a plasma lens, an extraction lens, a suppression lens, and an exit lens; and c) fabricating the at least one lens based on the output. In an embodiment, the software application comprises a PBGUNS software application. In a further embodiment, the at least one lens comprises at least two, at least three, or all four of the lenses in the electrostatic lens stack. In a further embodiment, the method further includes inputting at least one of the following into the software application: grid precision, empirically determined beam neutralization factor, and electron and ion temperatures in the source plasma.

いくつかの実施形態では、a)抽出レンズスタックのレンズ間隙の間に位置付けられた複数の絶縁ボール(例えば、アルミナセラミック、窒化アルミニウム、サファイア、ダイヤモンド、または他の酸化物もしくは非酸化物セラミックボール)を有する、抽出レンズスタックを備えている、(例えば、高エネルギーイオンビーム発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、最低3つの絶縁ボールが、各レンズ間隙の間に位置付けられる。いくつかの実施形態では、3つの絶縁ボールは、方位座標において均等に間隔を置かれる。いくつかの実施形態では、レンズスタックは、金属ボルトを用いて一緒に保持される。さらに、着目標的に確実に輸送され得る全電流を増加させながら、例えば、増進した機械的安定性、ビーム品質、および源ならびにビームライン構成要素の保護を提供するように、そのようなシステムを使用して中性子および陽子を発生させる方法が、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in or part of a high energy ion beam generator system) that includes an extraction lens stack having a) a plurality of insulating balls (e.g., alumina ceramic, aluminum nitride, sapphire, diamond, or other oxide or non-oxide ceramic balls) positioned between the lens gaps of the extraction lens stack. In some embodiments, a minimum of three insulating balls are positioned between each lens gap. In some embodiments, the three insulating balls are evenly spaced in azimuth coordinates. In some embodiments, the lens stack is held together using metal bolts. Additionally, provided herein is a method of generating neutrons and protons using such a system to provide, for example, enhanced mechanical stability, beam quality, and protection of source and beamline components while increasing the total current that can be reliably transported to the target.

いくつかの実施形態では、a)固体マトリクスに埋め込まれた反応性種(例えば、重水素またはトリチウム等の反応性水素種)から成る、高電力密度固体標的と、b)冷却構成要素とを備えている、(例えば、中性子発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。固体マトリクスは、限定されないが、チタンを含む、任意の所望の材料から作製され得る。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in, or part of, a neutron generator system) that includes a) a high power density solid target comprised of a reactive species (e.g., a reactive hydrogen species such as deuterium or tritium) embedded in a solid matrix, and b) a cooling component. The solid matrix may be made of any desired material, including, but not limited to, titanium.

いくつかの実施形態では、冷却構成要素は、閉ループ構成要素である。いくつかの実施形態では、冷却剤流路は、固体標的に統合される。いくつかの実施形態では、システムはさらに、冷却構成要素を通して流動させられる冷却剤を提供する、冷却剤源を備えている。いくつかの実施形態では、冷却剤は、水、グリコール(例えば、(ポリ)エチエレングリコール)、油、ヘリウム、または同等物から成る群から選択される。いくつかの実施形態では、閉ループ構成要素は、それを通して流動する冷却剤を脱イオン化するための脱イオン化サブ構成要素を備えている。いくつかの実施形態では、閉ループ構成要素は、それを通して流動する冷却剤を濾過するための濾過サブ構成要素を備えている。いくつかの実施形態では、冷却剤構成要素は、標的との接触に先立って冷却剤を予冷するために位置付けられる冷却装置を備えている。 In some embodiments, the cooling component is a closed loop component. In some embodiments, the coolant flow path is integrated into the solid target. In some embodiments, the system further comprises a coolant source providing a coolant to be flowed through the cooling component. In some embodiments, the coolant is selected from the group consisting of water, glycol (e.g., (poly)ethylene glycol), oil, helium, or the like. In some embodiments, the closed loop component comprises a deionization subcomponent for deionizing the coolant flowing therethrough. In some embodiments, the closed loop component comprises a filtration subcomponent for filtering the coolant flowing therethrough. In some embodiments, the coolant component comprises a cooling device positioned to pre-cool the coolant prior to contact with the target.

いくつかの実施形態では、標的は、冷却剤の影響を最大限にするように、薄い壁を伴って製造される。いくつかの実施形態では、壁は、0.02インチ以下(例えば、0.01インチ)の厚さを有する。いくつかの実施形態では、壁は、銅、銀、金、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される材料から成る。 In some embodiments, the target is manufactured with thin walls to maximize the effect of the coolant. In some embodiments, the walls have a thickness of 0.02 inches or less (e.g., 0.01 inches). In some embodiments, the walls are made of a material selected from the group consisting of copper, silver, gold, diamond, diamond-like carbon, or combinations thereof.

いくつかの実施形態では、標的は、渦巻きを欠いている標的に対して表面積を増加させるための渦巻きを伴う経路を備えている。いくつかの実施形態では、渦巻きは、フィン、またはリブ、もしくはそれらの組み合わせである。 In some embodiments, the target includes a passage with a spiral to increase surface area relative to a target lacking a spiral. In some embodiments, the spiral is a fin, or a rib, or a combination thereof.

いくつかの実施形態では、冷却構成要素は、冷却剤の層流のために構成される。いくつかの実施形態では、冷却構成要素は、不規則な表面特徴(例えば、へこみ、螺旋状くぼみ、またはそれらの組み合わせ)を有するチャネルを備えている。いくつかの実施形態では、冷却剤構成要素は、不規則な表面特徴(例えば、へこみ、螺旋状くぼみ、またはそれらの組み合わせ)を有するチャネルを伴って、冷却剤の層流のために構成される。 In some embodiments, the cooling component is configured for laminar flow of coolant. In some embodiments, the cooling component includes channels with irregular surface features (e.g., dimples, helical indentations, or combinations thereof). In some embodiments, the coolant component is configured for laminar flow of coolant with channels with irregular surface features (e.g., dimples, helical indentations, or combinations thereof).

そのようなシステムを採用する方法もまた、提供される。例えば、いくつかの実施形態では、高電力密度固体標的を用いて中性子を発生させる方法が、上記のシステムのうちのいずれかを使用することによって提供される。いくつかの実施形態では、本方法は、イオンビームのエネルギーを小さい容積の中へ堆積させることを伴う。 Methods employing such systems are also provided. For example, in some embodiments, a method for generating neutrons using a high power density solid target is provided by using any of the above systems. In some embodiments, the method involves depositing the energy of an ion beam into a small volume.

いくつかの実施形態では、a)固体標的と、b)真空システムと、c)真空システムと流体連通し、固体標的の近傍に希ガスを放出するように構成された希ガス源とを備えている、(例えば、中性子発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、希ガスは、アルゴンである。さらに、(例えば、固体標的がイオンビームにさらされている間に)固体標的を希ガスにさらすことを含む、中性子発生器固体標的を浄化する方法が、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、希ガスは、1~10立方センチメートル/分で流動させられる。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in, or part of, a neutron generator system) comprising: a) a solid target; b) a vacuum system; and c) a noble gas source in fluid communication with the vacuum system and configured to emit a noble gas in the vicinity of the solid target. In some embodiments, the noble gas is argon. Further provided herein is a method of purifying a neutron generator solid target, comprising exposing the solid target to a noble gas (e.g., while the solid target is exposed to an ion beam). In some embodiments, the noble gas is flowed at 1-10 cubic centimeters per minute.

いくつかの実施形態では、a)イオンビームを生成する加速器と、b)イオンビームによって接触されるように位置付けられる、標的(例えば、ガス標的)と、c)加速器および標的を分離する、標的開口と、d)イオンビームを開口に集束させる操向構成要素と、e)標的開口の上流に向いた表面の近傍に位置付けられた複数の熱センサとを備えている、(例えば、中性子発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、複数の熱センサは、開口の軸の周りに90度の間隔で等しく間隔を置かれた4つの熱センサを備えている。いくつかの実施形態では、熱センサは、熱電対(例えば、銅コンスタンタン熱電対)を備えている。いくつかの実施形態では、熱センサは、白金抵抗温度検出器(RTD)、サーミスタ、または半導体温度センサである。 In some embodiments, a system (e.g., for use in or part of a neutron generator system) is provided herein that includes: a) an accelerator that generates an ion beam; b) a target (e.g., a gas target) positioned to be contacted by the ion beam; c) a target aperture that separates the accelerator and the target; d) a steering component that focuses the ion beam into the aperture; and e) a plurality of thermal sensors positioned near an upstream-facing surface of the target aperture. In some embodiments, the plurality of thermal sensors includes four thermal sensors equally spaced at 90 degree intervals around the axis of the aperture. In some embodiments, the thermal sensor includes a thermocouple (e.g., a copper-constantan thermocouple). In some embodiments, the thermal sensor is a platinum resistance temperature detector (RTD), a thermistor, or a semiconductor temperature sensor.

いくつかの実施形態では、システムはさらに、センサから温度信号を受信するプロセッサを備えている。いくつかの実施形態では、プロセッサは、センサからの温度信号を合計し、平均標的開口温度を生成する。いくつかの実施形態では、プロセッサは、平均標的開口温度に基づいてイオンビーム位置を調節し、標的開口の温度を最小化する。 In some embodiments, the system further includes a processor that receives the temperature signals from the sensors. In some embodiments, the processor sums the temperature signals from the sensors to generate an average target aperture temperature. In some embodiments, the processor adjusts the ion beam position based on the average target aperture temperature to minimize the temperature of the target aperture.

さらに、a)標的開口の周囲の複数の場所において温度を測定することと、b)(例えば、上記のシステムを使用して)イオンビームの位置を操向し、標的開口における温度を最小化することとを含む、イオンビームを中性子発生器システム内の標的開口に操向する方法が、本明細書で提供される。 Further provided herein is a method of steering an ion beam to a target aperture in a neutron generator system, the method including: a) measuring temperature at multiple locations around the target aperture; and b) steering the position of the ion beam (e.g., using the system described above) to minimize the temperature at the target aperture.

いくつかの実施形態では、a)イオンビームを生成する加速器と、b)イオンビームによって接触されるように位置付けられる、標的(例えば、ガス標的)と、c)加速器およびガス標的を分離している標的開口と、d)開口を横断する圧力差を増加させる逆ガス噴射とを備えている、(例えば、中性子発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、逆ガス噴射は、狭径部間隙と、ノズル角度およびノズル長を有するノズルと、プレナムとを備えている。いくつかの実施形態では、逆ガス噴射は、それが収束した後に広がるノズルを備えている。いくつかの実施形態では、逆ガス噴射は、約3/8インチのノズル開口を備えている。いくつかの実施形態では、逆ガス噴射は、0.01インチ未満の狭径部間隙を備えている。いくつかの実施形態では、逆ガス噴射は、12.5度のノズル角度を備えている。さらに、標的開口において逆ガス噴射を採用することを含む、中性子発生器の標的開口を横断する圧力差を増加させる方法が、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in or part of a neutron generator system) comprising: a) an accelerator generating an ion beam; b) a target (e.g., a gas target) positioned to be contacted by the ion beam; c) a target aperture separating the accelerator and the gas target; and d) a reverse gas jet that increases a pressure differential across the aperture. In some embodiments, the reverse gas jet comprises a constriction gap, a nozzle having a nozzle angle and a nozzle length, and a plenum. In some embodiments, the reverse gas jet comprises a nozzle that diverges after it converges. In some embodiments, the reverse gas jet comprises a nozzle aperture of about 3/8 inch. In some embodiments, the reverse gas jet comprises a constriction gap of less than 0.01 inch. In some embodiments, the reverse gas jet comprises a nozzle angle of 12.5 degrees. Further provided herein is a method of increasing a pressure differential across a target aperture of a neutron generator, comprising employing a reverse gas jet at the target aperture.

いくつかの実施形態では、ビームスクレーパを備え、ビームスクレーパは、モータを使用してイオンビームの経路の中へ移動可能であり、モータは、標的を含む真空容器の外側の発生器システムに搭載される、(例えば、中性子発生器システムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、モータは、磁気的に結合された真空フィードスルー(例えば、直線運動フィードスルー)を介してビームスクレーパに接続される。いくつかの実施形態では、モータ、ビームスクレーパ、およびその間の接続は、ろう付け製造を伴う全金属である。さらに、標的を含む真空容器の外側の発生器システムに搭載されるモータを使用して、イオンビームによって接触される位置の中へビームスクレーパを移動させることを含む、中性子発生器内の標的に衝打するイオンビームの一部を遮断する方法が、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in or part of a neutron generator system) that includes a beam scraper, the beam scraper movable into the path of the ion beam using a motor, the motor mounted to a generator system outside of a vacuum vessel containing the target. In some embodiments, the motor is connected to the beam scraper via a magnetically coupled vacuum feedthrough (e.g., a linear motion feedthrough). In some embodiments, the motor, beam scraper, and connections therebetween are all-metal with brazing fabrication. Further provided herein is a method of blocking a portion of an ion beam striking a target in a neutron generator, the method including moving a beam scraper into a position contacted by the ion beam using a motor mounted to a generator system outside of a vacuum vessel containing the target.

いくつかの実施形態では、a)第1のインターロックを有する高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、b)第2のインターロックを有するユーザ制御ステーションとを備え、高エネルギーイオンビーム発生器およびユーザ制御ステーションは、発生器が動作するために安全であることを示すために閉鎖されたままである直列ループ内の複数の通常閉スイッチ、発生器が動作するために安全であることを示すために開放したままである並列ループ内のいくつかの通常開スイッチ、または直列ループおよび並列ループの両方を備えている、光ファイバインターロックを介して接続される、システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、高エネルギーイオンビーム発生器およびユーザ制御ステーションは、互いから電気的に分離される。いくつかの実施形態では、光ファイバインターロックは、周波数発生器を備えている。いくつかの実施形態では、周波数発生器は、設定された周波数において光をパルスにさせる、光ファイバ伝送機をトリガする。いくつかの実施形態では、システムは、例えば、誤った交差接続を防止するように、チャネル間の相互運用性がない複数のチャネルを有する目的のために、複数の明確に異なる周波数の間で構成可能である。いくつかの実施形態では、システムは、光ファイバインターロックを管理する制御ソフトウェアを備えている。いくつかの実施形態では、制御ソフトウェアは、光ファイバインターロックの多重信号検証プロシージャを動作させる。そのようなシステムを使用する方法も、提供される。いくつかの実施形態では、本方法は、高エネルギーイオンビーム発生器およびユーザ制御ステーションを往復する光ファイバインターロックを介して、情報を他方に伝送することを含む。 In some embodiments, a system is provided herein that includes a) a high energy ion beam generator device having a first interlock, and b) a user control station having a second interlock, the high energy ion beam generator and the user control station being connected via a fiber optic interlock that includes a number of normally closed switches in a series loop that remain closed to indicate that the generator is safe to operate, a number of normally open switches in a parallel loop that remain open to indicate that the generator is safe to operate, or both the series and parallel loops. In some embodiments, the high energy ion beam generator and the user control station are electrically isolated from each other. In some embodiments, the fiber optic interlock includes a frequency generator. In some embodiments, the frequency generator triggers a fiber optic transmitter that pulses light at a set frequency. In some embodiments, the system is configurable between a number of distinctly different frequencies, for example for the purpose of having multiple channels with no interoperability between the channels to prevent erroneous cross connections. In some embodiments, the system includes control software that manages the fiber optic interlock. In some embodiments, the control software operates a multiple signal verification procedure of the fiber optic interlock. Methods of using such systems are also provided. In some embodiments, the method includes transmitting information via a fiber optic interlock to and from the high energy ion beam generator and the user control station.

いくつかの実施形態では、a)ビームを生成する高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、b)損傷軽減構成要素であって、i)デバイス上に位置付けられ、ビームと相互作用し得るデバイスの複数の領域を監視するように構成された複数のセンサと、ii)複数のセンサと通信し、アラートまたはアラームを発生させ、アラートまたはアラームに応答してデバイスを調節するように構成された制御ソフトウェアとを備えている、損傷軽減構成要素とを備えている、(例えば、高エネルギーイオンビームシステムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、センサのうちの1つ以上のものは、デバイスの領域の温度を測定する。いくつかの実施形態では、センサのうちの1つ以上のものは、冷却剤(例えば、水)流率を測定する。いくつかの実施形態では、センサのうちの1つ以上のものは、連続感知モードである。いくつかの実施形態では、センサのうちの1つ以上のものもしくは全ては、超えた場合にアラートまたはアラームを発生させる、それに関連付けられる閾値を有する。いくつかの実施形態では、アラートは、ユーザ警告を備えている。いくつかの実施形態では、アラームは、デバイスシャットダウンまたはリセットをトリガする。いくつかの実施形態では、アラームは、さらなる動作に先立ってデバイスをリセットすることをユーザに要求するラッチアームである。いくつかの実施形態では、制御ソフトウェアは、背景EMIを除外する。いくつかの実施形態では、除外された背景EMIは、それを潜在的に有害な事象と区別するように、所定の閾値持続時間または周波数の下にある。システムを使用する方法も、提供される。いくつかの実施形態では、方法は、システムを使用して、潜在的な損傷事象を検出することを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、アラートまたはアラームおよび所望の関連付けられる応答(例えば、警告、自動システムシャットダウン等)を発生させることを含む。 In some embodiments, a system (e.g., for use in or part of a high energy ion beam system) is provided herein that includes: a) a high energy ion beam generator device that generates a beam; and b) a damage mitigation component that includes: i) a plurality of sensors positioned on the device and configured to monitor a plurality of regions of the device that may interact with the beam; and ii) control software configured to communicate with the plurality of sensors, generate an alert or alarm, and adjust the device in response to the alert or alarm. In some embodiments, one or more of the sensors measure a temperature of a region of the device. In some embodiments, one or more of the sensors measure a coolant (e.g., water) flow rate. In some embodiments, one or more of the sensors are in a continuous sensing mode. In some embodiments, one or more or all of the sensors have a threshold associated therewith that generates an alert or alarm if exceeded. In some embodiments, the alert comprises a user warning. In some embodiments, the alarm triggers a device shutdown or reset. In some embodiments, the alarm is a latch arm that requires the user to reset the device prior to further operation. In some embodiments, the control software filters out background EMI. In some embodiments, the filtered out background EMI is below a predetermined threshold duration or frequency so as to distinguish it from a potentially harmful event. A method of using the system is also provided. In some embodiments, the method includes using the system to detect a potentially damaging event. In some embodiments, the method includes generating an alert or alarm and a desired associated response (e.g., a warning, an automatic system shutdown, etc.).

いくつかの実施形態では、a)高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、b)アークダウン軽減構成要素であって、i)デバイス上に位置付けられ、アークダウン事象と一致する条件を監視するように構成された複数のセンサと、ii)複数のセンサと通信し、アラートまたはアラームを発生させ、アラートまたはアラームに応答してデバイスを調節するように構成された制御ソフトウェアとを備えている、アークダウン軽減構成要素とを備えている、(例えば、高エネルギーイオンビームシステムで使用するため、またはその一部である)システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、アラームは、ユーザ介入を伴わずにデバイスを正常動作に戻す、自動復旧シーケンスをトリガする。システムを使用する方法も、提供される。いくつかの実施形態では、方法は、システムを使用して、アークシャットダウン事象に応答することを含む。 In some embodiments, provided herein is a system (e.g., for use in or part of a high energy ion beam system) comprising: a) a high energy ion beam generator device; and b) an arc down mitigation component comprising: i) a plurality of sensors positioned on the device and configured to monitor conditions consistent with an arc down event; and ii) control software configured to communicate with the plurality of sensors, generate an alert or alarm, and adjust the device in response to the alert or alarm. In some embodiments, the alarm triggers an automatic recovery sequence that returns the device to normal operation without user intervention. Methods of using the system are also provided. In some embodiments, the method includes using the system to respond to an arc shutdown event.

いくつかの実施形態では、高電圧電力供給源(HVPS)設定値を管理する閉ループ制御構成要素を備えている、高エネルギーイオンビーム発生器システムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、構成要素はまた、限定されないが、マイクロ波電力、集束、および操向を含む、1つ以上の他のシステム機能も制御する。いくつかの実施形態では、閉ループ制御構成要素を用いて高電圧電力供給源(HVPS)設定値を管理することを含む、高エネルギーイオンビーム発生器における高エネルギーイオン束出力変動性を制御する方法が、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a high energy ion beam generator system that includes closed loop control components that manage high voltage power supply (HVPS) setpoints. In some embodiments, the components also control one or more other system functions, including, but not limited to, microwave power, focusing, and steering. In some embodiments, provided herein is a method of controlling high energy ion flux output variability in a high energy ion beam generator that includes managing high voltage power supply (HVPS) setpoints with closed loop control components.

いくつかの実施形態では、高密度ポリエチレン(HDPE)層と、ホウ酸化ポリエチレン層と、金属層(例えば、アルミニウムおよび/または鉛層を備えている)と、カドミウム層とを備えている、コリメータを備えている、中性子ラジオグラフィで使用するための中性子誘導システムが、本明細書で提供される。 In some embodiments, provided herein is a neutron guidance system for use in neutron radiography comprising a collimator comprising a high density polyethylene (HDPE) layer, a borated polyethylene layer, a metal layer (e.g., comprising an aluminum and/or lead layer), and a cadmium layer.

いくつかの実施形態では、a)中性子源(例えば、2.45MeV中性子源)、b)高密度ポリエチレン(HDPE)層、ホウ酸化ポリエチレン層、金属層(例えば、アルミニウムおよび/または鉛層を備えている)、およびカドミウム層、c)検出器、d)減速材(例えば、黒鉛減速材および/またはaDO減速材)、ならびにe)地下遮蔽(例えば、土、コンクリート、または他の保護層を備えている)のうちの1つ以上のものもしくは全てを備えている、中性子ラジオグラフィのためのシステムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、システムは、高速中性子源と直接整合しない、オフセットコリメータを備えている。 In some embodiments, provided herein is a system for neutron radiography comprising one or more or all of: a) a neutron source (e.g., a 2.45 MeV neutron source), b) a high density polyethylene (HDPE) layer, a borated polyethylene layer, a metal layer (e.g., comprising an aluminum and/or lead layer), and a cadmium layer, c) a detector, d) a moderator (e.g., a graphite moderator and/or aD2O moderator), and e) an underground shield (e.g., comprising an earth, concrete, or other protective layer). In some embodiments, the system comprises an offset collimator that is not directly aligned with the fast neutron source.

さらに、サンプルを上記の方法によって発生させられる中性子にさらすことを含む、サンプルを撮像する方法が、本明細書で提供される。 Further provided herein is a method of imaging a sample, comprising exposing the sample to neutrons generated by the above method.

いくつかの実施形態では、半導体製造のためのシステムおよび方法が、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、システムは、半導体材料を保持する構成要素にビームを向かわせる、本明細書に説明されるような高エネルギーイオンビーム(例えば、水素イオンビーム)を発生させる加速器システムを備えている。いくつかの実施形態では、本方法は、半導体材料を、本明細書に説明される高エネルギーイオンビーム発生器システムから発生させられる陽子と接触させることを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、(例えば、注入水素イオンによって形成される割断部位において)半導体材料を割断することによって、薄膜ウエハを生成することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、薄膜ウエハから光起電(PV)ウエハを加工することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、光起電ウエハを備えている、太陽電池パネルを加工することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、光起電ウエハを備えている、発光ダイオード(LED)を加工することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、薄膜ウエハから発光ダイオード(LED)を加工することを含む。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
デバイスであって、前記デバイスは、
a)導波路であって、前記導波路は、
i)電磁波入射点を備えている近位端と、
ii)電磁波出射点を備えている遠位端と、
iii)前記近位端と前記遠位端との間に延び、電磁波を伝搬するように構成された外壁と
を備えている、導波路と、
b)前記導波路構成要素の内側に位置している逆インピーダンス整合構成要素と
を備え、
前記逆インピーダンス整合構成要素は、前記導波路の前記遠位端から前記導波路の前記近位端に向かって少なくとも途中まで延び、
前記逆インピーダンス整合構成要素は、遠位端と近位端とを備え、前記インピーダンス整合構成要素の前記遠位端は、前記導波路の前記遠位端またはその近傍に位置し、前記逆インピーダンス整合構成要素の前記近位端よりも大きい断面積を有する、デバイス。
(項目2)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、金属を備えている、項目1に記載のデバイス。(項目3)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、水によって冷却されるように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目4)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、前記導波路の中心線に沿って位置している、項目1に記載のデバイス。
(項目5)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、前記導波路の外壁に取り付けられた1つ以上の支持脚部によって支持されている、項目4に記載のデバイス。
(項目6)
前記電磁波は、マイクロ波である、項目1に記載のデバイス。
(項目7)
前記逆インピーダンス整合構成要素の前記遠位端における断面積は、前記逆インピーダンス整合構成要素の前記近位端における断面積の少なくとも2倍、3倍、または4倍大きい、項目1に記載のデバイス。
(項目8)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、前記断面積が前記逆インピーダンス整合構成要素の前記近位端から前記遠位端まで変化することを可能にする1つ以上の段階を備えている、項目1に記載のデバイス。
(項目9)
前記逆インピーダンス整合構成要素は、前記逆インピーダンス整合構成要素の前記近位端から前記遠位端までのテーパを備え、それによって、前記断面積が変化することを可能にする、項目1に記載のデバイス。
(項目10)
前記逆インピーダンス整合構成要素の前記遠位端における断面積は、前記デバイスが加速器システムの一部であるとき、全てまたはほぼ全ての逆流する電子を遮断するために十分に大きい、項目1に記載のデバイス。
(項目11)
a)電磁波源と、
b)プラズマチャンバと、
c)項目1に記載のデバイスと
を備えているシステム。
(項目12)
前記導波路の前記近位端は、前記電磁波源に動作可能に取り付けられ、前記導波路の前記遠位端は、前記プラズマチャンバに動作可能に取り付けられている、項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記電磁波源は、マイクロ波源を備えている、項目11に記載のシステム。
(項目14)
システムであって、前記システムは、
a)コンピュータプロセッサと、
b)1つ以上のコンピュータプログラムとデータベースとを備えている非一過性のコンピュータメモリであって、前記1つ以上のコンピュータプログラムは、加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアを備えている、非一過性のコンピュータメモリと、
c)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムと
を備え、
前記加速器システムは、前記非一過性のコンピュータメモリと動作可能に通信し、前記加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアによって自動的に調節されることが可能な以下のサブシステム:
i)イオン源およびイオン源監視構成要素と、
ii)集束ソレノイド磁石および集束ソレノイド磁石監視構成要素と、
iii)管開口および管開口監視構成要素と、
iv)固体またはガス標的、および、固体またはガス標的監視構成要素と、
v)抽出および抑制構成要素、および、抽出および抑制監視構成要素と、
vi)ビーム発生サブシステムおよびビーム発生サブシステム監視構成要素と、
vii)ビーム集束および操向サブシステム、および、ビーム集束および操向サブシステム監視構成要素と、
viii)加速器/抵抗器サブシステムおよび加速器/抵抗器サブシステム監視構成要素と、
ix)ビーム操向サブシステムおよびビーム操向サブシステム監視構成要素と、
x)加圧ガスサブシステム構成要素および加圧ガスサブシステム構成要素監視構成要素と
のうちの1つ以上を備えている、システム。
(項目15)
1)前記イオン源監視構成要素は、質量流量計、熱電対、冷却剤流量計、および/または圧力計を備え、2)前記集束ソレノイド監視構成要素は、熱電対、冷却剤流量計、電圧モニタ、および/または電流モニタを備え、3)前記管開口監視構成要素は、カメラ、熱電対、および/または、冷却剤流量計を備え、4)前記固体またはガス標的監視構成要素は、カメラ、熱電対、冷却剤流量計、および/または放射線検出器を備え、5)前記抽出および抑制監視構成要素は、圧力計、熱電対、電流モニタ、および/または電圧モニタを備え、6)前記ビーム発生サブシステム監視構成要素は、電流モニタおよび/またはエミッタンススキャナを備え、7)前記加圧ガスサブシステム構成要素監視構成要素は、圧力計および/またはガス分析器を備えている、項目14に記載のシステム。
(項目16)
前記加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアは、前記サブシステムの複数の異なる設定値を収集および分析し、そのようなサブシステムのための最適化された設定を計算するように構成されている、項目14に記載のシステム。
(項目17)
前記加速器システム監視および/または最適化ソフトウェアは、前記サブシステムのうちの1つ以上のものにおける前記設定値を変更し、前記加速器システムの性能を少なくとも部分的に最適化するように構成されている、項目16に記載のシステム。
(項目18)
システムであって、前記システムは、
a)イオン源プラズマチャンバであって、前記イオン源プラズマチャンバは、前記プラズマチャンバから出射するビームの方向に沿った源軸を有する、プラズマチャンバと、
b)少なくとも1つのイオン源磁石であって、前記少なくとも1つのイオン源磁石は、開口部と、少なくとも1つの外壁とを備え、前記イオン源プラズマチャンバは、前記少なくとも1つのイオン源磁石の前記開口部を通して延びている、少なくとも1つのイオン源磁石と、
c)前記少なくとも1つのイオン源磁石の前記少なくとも1つの外壁に取り付けられているか、またはそれと一体的である少なくとも1つの受け取り構成要素と、
d)強磁性エンクロージャであって、前記少なくとも1つのイオン源磁石および前記イオン源プラズマチャンバは、前記強磁性エンクロージャの内側にあり、前記少なくとも1つのイオン源磁石は、前記プラズマチャンバの前記源軸に沿って前記強磁性エンクロージャの内側の複数の異なる位置に移動することができ、前記源軸の方向に沿って延び、前記受け取り構成要素と整列している少なくとも1つの縦開口部が存在する、強磁性エンクロージャと、
e)前記縦開口部を通して延び、前記受け取り構成要素に取り付くように構成された少なくとも1つの調節構成要素と
を備え、
前記少なくとも1つの調節構成要素は、前記強磁性エンクロージャの内側の前記複数の異なる位置において前記少なくとも1つのイオン源磁石を固定することができる、
システム。
(項目19)
前記受け取り構成要素は、ねじ山付き金属コネクタを備えている、項目18に記載のシステム。
(項目20)
前記調節構成要素は、ねじ山付きボルトを備えている、項目18に記載のシステム。
(項目21)
前記受け取り構成要素は、前記少なくとも1つのイオン源磁石と一体である、項目18に記載のシステム。
(項目22)
前記少なくとも1つのイオン源磁石は、少なくとも部分的にエポキシに包み込まれている、項目18に記載のシステム。
(項目23)
少なくとも1つのイオン源磁石は、2つのイオン源磁石を備えている、項目18に記載のシステム。
(項目24)
前記少なくとも1つの縦開口部は、少なくとも2つ、3つ、または4つの縦開口部を備えている、項目18に記載のシステム。
(項目25)
方法であって、前記方法は、
a)項目18-24のいずれかに記載のシステムを提供することと、
b)前記複数の位置の中の第1の位置から前記複数の位置の中の第2の位置に前記少なくとも1つのイオン源磁石を移動させることと、
c)前記少なくとも1つの縦開口部を通して前記少なくとも1つの受け取り構成要素の中に前記少なくとも1つの調節構成要素を挿入することと、
d)前記少なくとも1つの調節構成要素を前記少なくとも1つの受け取り構成要素に固定し、それによって、前記第2の位置において前記少なくとも1つのイオン源磁石を固定することと
を含む、方法。
(項目26)
前記少なくとも1つのイオン源磁石は、第1および第2のイオン源磁石を備え、前記第1および第2のイオン源磁石の両方は、第1の位置から第2の位置に移動させられ、前記第2の位置で固定される、項目25に記載の方法。
(項目27)
高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの金属アセンブリを備えている製造品であって、
前記金属アセンブリは、前記加速器システムの中に位置付けられているとき、i)前記高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、ii)真空環境内にあり、
前記金属アセンブリは、i)少なくとも1つの水冷チャネルと、ii)第1の金属構成要素、第2の金属構成要素、および充填金属とを備え、前記充填金属は、継手において前記第1の金属構成要素を前記第2の金属構成要素に取り付ける、製造品。
(項目28)
前記第1および第2の金属構成要素は、高度に熱伝導性の金属を備えている、項目27に記載の製造品。
(項目29)
前記充填金属は、前記第1および第2の金属構成要素よりも低い融点を有する、項目27に記載の製造品。
(項目30)
前記第1の金属構成要素は、管板を備え、前記第2の金属構成要素は、板栓を備えている、項目27に記載の製造品。
(項目31)
前記充填金属は、BNi-7合金を備えている、項目27に記載の製造品。
(項目32)
前記第1の金属構成要素は、第1の管、管キャップ、異なる管板、および弁から成る群から選択される第1のアイテムを備え、前記第2の金属構成要素は、第2の管、管キャップ、異なる管板、および弁から成る群から選択される第2のアイテムを備えている、項目27に記載の製造品。
(項目33)
前記少なくとも1つの水冷チャネルは、少なくとも2つの水冷チャネルを備えている、項目27に記載の製造品。
(項目34)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムと、
b)金属アセンブリと
を備え、
前記金属アセンブリは、前記加速器システムの中に位置付けられ、それによって、前記金属アセンブリは、i)前記高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎり、ii)真空環境内にあり、
前記金属アセンブリは、i)少なくとも1つの水冷チャネルと、ii)第1の金属構成要素、第2の金属構成要素、および充填金属とを備え、前記充填金属は、継手において前記第1の金属構成要素を前記第2の金属構成要素に取り付ける、システム。
(項目35)
方法であって、前記方法は、
a)ろう付け技法を使用して、充填金属を用いて第1の金属構成要素を第2の金属構成要素に取り付け、金属アセンブリを生成することと、
b)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの中に前記金属アセンブリを挿入することと
を含み、
前記金属アセンブリは、前記高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎるように位置付けられる、方法。
(項目36)
前記金属アセンブリは、少なくとも1つの水冷チャネルをさらに備えている、項目35に記載の方法。
(項目37)
前記金属アセンブリは、真空環境内にあるようにさらに位置付けられる、項目35に記載の方法。
(項目38)
システムであって、前記システムは、
a)高電圧ドームと、
b)前記高電圧ドームの内側に位置しているイオン源プラズマチャンバと、
c)前記イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結された抽出構成要素と、
d)ガス除去サブシステムであって、前記ガス除去サブシステムは、
i)前記高電圧ドームの内側に位置している排気構成要素と、
ii)絶縁ホースであって、前記絶縁ホースの第1の部分は、前記高電圧ドームの内側に位置し、前記絶縁ホースの第2の部分は、より低い電圧のエリアにおいて前記高電圧ドームの外側に位置している、絶縁ホースと、
iii)前記高電圧ドームの内側に位置し、前記排気構成要素および前記抽出構成要素に動作可能に連結された第1の真空ポンプであって、前記第1の真空ポンプは、前記抽出構成要素からガスを除去し、前記ガスを前記排気構成要素に送達するように構成されている、第1の真空ポンプと、
iv)前記高電圧ドームの内側に位置し、前記排気構成要素に動作可能に連結された第2の真空ポンプと
を備えている、ガス除去サブシステムと
を備え、
前記第2の真空ポンプは、第1の圧力において前記排気構成要素から前記ガスを受け取り、第2の圧力において前記ガスを前記絶縁ホースに送達するように構成され、前記第2の圧力は、前記第1の圧力よりも高い、システム。
(項目39)
e)外側圧力容器をさらに備え、前記高電圧ドーム、前記イオン源プラズマチャンバ、前記抽出構成要素、前記排気構成要素、前記第1の真空ポンプ、前記第2のポンプ、および前記絶縁ホースの少なくとも一部は、前記圧力容器の中に位置している、項目38に記載のシステム。
(項目40)
前記絶縁ホースは、前記ガスを大気に放出するように構成されている、項目38に記載のシステム。
(項目41)
前記ガスは、非イオン化ガスである、項目38に記載のシステム。
(項目42)
前記非イオン化ガスは、重水素ガスである、項目41に記載のシステム。
(項目43)
前記ガスをさらに備えている、項目38に記載のシステム。
(項目44)
前記ガスは、非イオン化ガスである、項目43に記載のシステム。
(項目45)
前記絶縁ホースは、螺旋形状を有する、項目38に記載のシステム。
(項目46)
前記絶縁ホースは、約20~30の螺旋形状の巻きを有し、長さが約5~15フィートである、項目45に記載のシステム。
(項目47)
前記第1の真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ、および高真空ポンプから選択されるポンプを備えている、項目38に記載のシステム。
(項目48)
前記第2の真空ポンプは、粗引ポンプを備えている、項目38に記載のシステム。
(項目49)
e)前記高電圧ドームの内側に位置している内側圧力容器をさらに備え、前記第2の真空ポンプは、前記ポンプ圧力容器の中に位置し、以下の構成要素:前記高電圧ドーム、前記イオン源プラズマチャンバ、前記抽出構成要素、および前記第1の真空ポンプは、前記内側圧力容器の中に位置していない、項目38に記載のシステム。
(項目50)
高電圧ドームおよび抽出構成要素を有する高エネルギーイオンビーム発生システムの中に導入されるように構成されたガス除去サブシステムであって、前記ガス除去サブシステムは、
a)前記高電圧ドームの内側に位置するように構成された排気構成要素と、
b)絶縁ホースであって、前記絶縁ホースの第1の部分は、前記高電圧ドーム内の開口部を通して延びているように構成されている、絶縁ホースと、
c)前記高電圧ドームの内側に位置するように構成され、前記排気構成要素および前記抽出構成要素に動作可能に連結されるように構成された第1の真空ポンプであって、前記第1の真空ポンプは、前記抽出構成要素からガスを除去し、前記ガスを前記排気構成要素に送達するように構成されている、第1の真空ポンプと、
d)前記高電圧ドームの内側に位置するように構成され、前記排気構成要素に動作可能に連結されるように構成された第2の真空ポンプと
を備え、
前記第2の真空ポンプは、第1の圧力において前記排気構成要素から前記ガスを受け取り、第2の圧力において前記ガスを前記絶縁ホースに送達するように構成され、前記第2の圧力は、前記第1の圧力よりも高い、ガス除去サブシステム。
(項目51)
方法であって、前記方法は、
a)項目50に記載のシステムを提供することと、
b)前記ガス除去サブシステムをアクティブにすることと
を含み、
前記抽出構成要素の中に存在するガスは、
i)前記第1の真空ポンプによって前記排気構成要素へ除去され、
ii)前記第2の真空ポンプによって、第1の圧力において前記排気構成要素から受け取られ、前記第1の圧力よりも高い第2の圧力において前記絶縁ホースに送達され、
iii)前記絶縁ホースによって大気に送達される、
方法。
(項目52)
前記抽出構成要素内の前記ガスは、前記イオン源プラズマチャンバから前記抽出構成要素に進行した非イオン化ガスである、項目51に記載の方法。
(項目53)
システムであって、前記システムは、
a)外側圧力容器と、
b)前記外側圧力容器の内側に位置している内側圧力容器と、
c)前記外側圧力容器の内側に位置している排気構成要素であって、前記排気構成要素の一部は、前記内側圧力容器の中にも位置している、排気構成要素と、
d)前記外側圧力容器の内側に位置している絶縁ホースであって、前記絶縁ホースの一部は、前記内側圧力容器の中にも位置している、絶縁ホースと、
e)前記外側圧力容器の内側に位置し、前記排気構成要素に動作可能に連結された第1の真空ポンプと、
f)前記内側圧力容器の内側に位置し、前記排気構成要素に動作可能に連結された第2の真空ポンプと
を備えている、システム。
(項目54)
前記外側圧力容器は、前記内側圧力容器内のガスよりも高い圧力におけるガスを備えている、項目53に記載のシステム。
(項目55)
前記内側圧力容器内の前記ガスは、ほぼ大気圧にある、項目53に記載のシステム。
(項目56)
前記第1の真空ポンプは、高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの抽出構成要素に動作可能に連結されるように構成され、前記第1の真空ポンプは、前記抽出構成要素からガスを除去し、前記ガスを前記排気構成要素に送達するように構成されている、項目53に記載のシステム。
(項目57)
前記第2の真空ポンプは、第1の圧力において前記排気構成要素から前記ガスを受け取り、第2の圧力において前記ガスを前記絶縁ホースに送達するように構成され、前記第2の圧力は、前記第1の圧力よりも高い、項目56に記載のシステム。
(項目58)
前記システムは、抽出構成要素をさらに備えている、項目53に記載のシステム。
(項目59)
前記システムは、前記外側圧力容器の内側に位置しているイオン源プラズマチャンバをさらに備えている、項目58に記載のシステム。
(項目60)
前記抽出構成要素は、前記イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結されている、項目59に記載のシステム。
(項目61)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの中で高電圧において保持された少なくとも1つの高電圧構成要素と、
b)前記少なくとも1つの高電圧構成要素に電気的に連結された電力構成要素と
を備え、
前記電力構成要素は、電力を前記少なくとも1つの高電圧構成要素に提供し、
前記電力構成要素は、Vベルトを備え、
前記Vベルトは、複数の区分を備え、i)不良な電気導体、または、ii)非電気導体である、システム。
(項目62)
前記Vベルトは、ポリエステル・ポリウレタン複合材料を備えている、項目61に記載のシステム。
(項目63)
前記電力構成要素は、モータと、発電機とをさらに備えている、項目61に記載のシステム。
(項目64)
前記電力構成要素は、前記モータに動作可能に取り付けられた第1のVベルトプーリと、前記発電機に動作可能に取り付けられた第2のVベルトプーリとをさらに備えている、項目61に記載のシステム。
(項目65)
前記少なくとも1つの高電圧構成要素は、イオン源プラズマチャンバを備えている、項目61に記載のシステム。
(項目66)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムであって、前記加速器サブシステムは、
i)イオン源プラズマチャンバと、
ii)マイクロ波を発生させるマイクロ波発生構成要素と、
iii)前記マイクロ波発生構成要素に動作可能に連結された電源と、
iv)前記マイクロ波を受け取り、それらを前記イオン源プラズマチャンバに送達するために位置付けられた導波路であって、前記マイクロ波が前記イオンプラズマチャンバ内のガスに接触すると、イオン源を発生させる、導波路と、
v)前記イオンプラズマチャンバから低エネルギーイオンビームを抽出するために前記イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結されたイオンビーム抽出構成要素と、
iv)加速器カラムと、低エネルギーイオンビームを受け取るための加速器入口開口部と、高エネルギーイオンビームを送達するための加速器出口開口部とを備えている加速器構成要素と
を備えている、加速器サブシステムと、
b)前記電源に動作可能に連結された電力変調構成要素と
を備え、
前記電力変調構成要素は、前記電源から前記マイクロ波発生構成要素に流動する電力を変調するように構成され、それによって、前記導波路に入射する前記マイクロ波は、高速でパルス化され、および/または、消滅/発生させられ、それによって、前記高エネルギーイオンビームを高速でパルス化し、および/または、消滅/発生させる、システム。
(項目67)
前記加速器システムは、直接注入加速器システムである、項目66に記載のシステム。(項目68)
前記マイクロ波発生構成要素は、マグネトロンを備えている、項目66に記載のシステム。
(項目69)
方法であって、前記方法は、
a)項目66に記載のシステムを提供することと、
b)前記高エネルギーイオンビームが発生させられ、前記高エネルギーイオンビームが高速でパルス化され、および/または、消滅/発生させられるように、前記加速器サブシステムおよび前記電力変調構成要素をアクティブにすることと
を含む、方法。
(項目70)
方法であって、前記方法は、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる直接注入加速器システムにおいて、加速器カラムの加速器入口から第1の距離にイオンビーム発生構成要素を位置付けることと、
b)加速器カラムの加速器入口から第2の距離に前記イオンビーム発生構成要素を位置付けることと
を含み、
前記第2の距離は、前記第1の距離と異なり、前記第2の距離は、前記直接注入加速器システムの性能を改良する、方法。
(項目71)
前記第1および第2の距離は、20~500mmの範囲内である、項目70に記載の方法。
(項目72)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる直接注入加速器サブシステムであって、前記加速器システムは、
i)イオン源プラズマチャンバと、
ii)マイクロ波を発生させるマイクロ波発生構成要素と、
iii)前記マイクロ波発生構成要素に動作可能に連結された電源と、
iv)前記マイクロ波を受け取り、それらを前記イオン源プラズマチャンバに送達するために位置付けられた導波路であって、前記マイクロ波が前記イオンプラズマチャンバ内のガスに接触すると、イオンビームが発生させられる、導波路と、
v)前記イオン源プラズマチャンバに動作可能に連結された抽出構成要素と、
iv)加速器カラムと、前記イオンビームを受け取るための加速器入口開口部とを備えている加速器構成要素と
を備えている、直接注入加速器サブシステムと、
b)真空構成要素と
を備え、
前記真空構成要素は、前記抽出構成要素および/または前記加速器構成要素に動作可能に連結され、前記真空構成要素は、前記抽出構成要素および/または前記加速器構成要素内の圧力を低減させるように構成されている、システム。
(項目73)
前記圧力の低減は、前記高エネルギーイオンビームの直径を低減させるレベルにある、項目72に記載のシステム。
(項目74)
方法であって、前記方法は、
a)項目72に記載のシステムを提供することと、
b)前記高エネルギーイオンビームが発生させられるように、前記直接注入加速器サブシステムおよび前記真空構成要素をアクティブにすることと
を含み、
前記高エネルギーイオンビームは、前記圧力の低減がない場合にそれが有するであろうよりも小さい直径を有する、方法。
(項目75)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムであって、前記加速器システムは、
i)高電圧ドームと、
ii)前記高電圧ドームの内側に位置しているイオンビーム発生構成要素と、
iii)加速器カラムを備えている加速器構成要素と
を備えている、加速器サブシステムと、
b)水抵抗器サブシステムと
を備え、
前記水抵抗器サブシステムは、
i)水配管と、水リザーバとを備えている水循環構成要素と、
ii)前記加速器カラムに沿って延びている水抵抗器要素と
を備え、
前記水抵抗器要素は、前記水配管に流体的に連結された、またはそれと一体である非導電性管類を備え、それによって、前記水循環構成要素内の制御伝導度水循環は、前記水抵抗器要素を通過する、システム。
(項目76)
前記制御伝導度水をさらに備え、前記制御伝導度水は、i)脱イオン水と、2)脱イオン化(DI)樹脂と、金属塩とを備えている、項目75に記載のシステム。
(項目77)
前記加速器構成要素は、前記加速器カラムに沿って延びている複数のグレーディングリングをさらに備えている、項目75に記載のシステム。
(項目78)
前記絶縁管類は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、およびポリエチレンから成る群から選択される材料を備えている、項目75に記載のシステム。(項目79)
前記水循環構成要素は、水ポンプと、熱交換器とをさらに備えている、項目75に記載のシステム。
(項目80)
前記制御伝導度水は、前記脱イオン水が15メガオーム-cm以上の抵抗率を有するように、十分な量の前記DI樹脂を含む、項目75に記載のシステム。
(項目81)
前記金属塩は、硫酸銅、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、硫酸マグネシウム、およびチオ硫酸ナトリウムから成る群から選択される、項目75に記載のシステム。
(項目82)
前記水抵抗器要素は、最大約300kV DCの電圧に耐え、最大約3kWの熱を除却することができる、項目75に記載のシステム。
(項目83)
方法であって、前記方法は、
a)項目75に記載のシステムを提供することと、
b)前記加速器サブシステムおよび前記水抵抗器サブシステムをアクティブにすることと
を含み、
前記高エネルギーイオンビームが発生させられている間、前記制御伝導度水は、前記水循環構成要素を通して循環し、前記水抵抗器要素は、前記加速器カラムに沿った電気抵抗器として機能する、方法。
(項目84)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器サブシステムの構成要素に電力を送達するように構成された少なくとも1つの高電圧電力供給源(HVPS)と、
b)水抵抗器サブシステムと
を備え、
前記水抵抗器サブシステムは、
i)水配管と、水リザーバとを備えている水循環構成要素と、
ii)絶縁管類を備えている水抵抗器要素と
を備え、
前記絶縁管類は、前記水配管に流体的に連結され、またはそれと一体であり、それによって、前記水循環構成要素内の制御伝導度水循環は、前記水抵抗器要素を通過する、
システム。
(項目85)
方法であって、前記方法は、
a)項目84に記載のシステムを提供することと、
b)試験負荷として前記水抵抗器サブシステムを使用して、前記少なくとも1つのHVPSを試験することと
を含む、方法。
(項目86)
レンズを設計する方法であって、前記方法は、
a)加速器システムのプラズマレンズ開口における以下のパラメータ:ビーム電流、抽出電圧、イオン種比率、最大電場、およびイオン電流密度をソフトウェアアプリケーションに入力することと、
b)静電レンズスタックの中の少なくとも1つのレンズの設計のための前記ソフトウェアから出力を受信することであって、前記静電レンズスタックは、プラズマレンズと、抽出レンズと、抑制レンズと、出射レンズとを備えている、ことと、
c)前記出力に基づいて前記少なくとも1つのレンズを加工することと
を含む、方法。
(項目87)
前記ソフトウェアアプリケーションは、PBGUNSソフトウェアアプリケーションを備えている、項目86に記載の方法。
(項目88)
前記少なくとも1つのレンズは、前記静電レンズスタックの中の前記レンズのうちの少なくとも2つ、少なくとも3つ、または4つ全てを備えている、項目86に記載の方法。(項目89)
グリッド精度、経験的に決定されたビーム中和因子、および、源プラズマ内の電子およびイオン温度のうちの少なくとも1つを前記ソフトウェアアプリケーションに入力することをさらに含む、項目86に記載の方法。
(項目90)
抽出レンズスタックを備えている高エネルギーイオンビーム発生器システムであって、前記抽出レンズスタックは、前記抽出レンズスタックのレンズ間隙の間に位置付けられた複数の絶縁ボールを有している、高エネルギーイオンビーム発生器システム。
(項目91)
3つの絶縁ボールが、各レンズ間隙の間に位置付けられている、項目90に記載のシステム。
(項目92)
前記3つの絶縁ボールは、方位座標において均等に間隔を置かれている、項目91に記載のシステム。
(項目93)
前記レンズスタックは、金属ボルトを用いて一緒に保持されている、項目90に記載のシステム。
(項目94)
前記絶縁ボールは、アルミナセラミックボールである、項目90に記載のシステム。
(項目95)
項目90-94のいずれかに記載のシステムを使用することを含む中性子または陽子を発生させる方法。
(項目96)
中性子発生器システムであって、前記中性子発生器システムは、
a)固体マトリクスに埋め込まれた反応性水素種を備えている高電力密度固体標的と、
b)冷却構成要素と
を備えている、中性子発生器システム。
(項目97)
前記固体マトリクスは、チタンを備えている、項目96に記載のシステム。
(項目98)
前記反応性水素種は、重水素である、項目96に記載のシステム。
(項目99)
前記反応性水素種は、トリチウムである、項目96に記載のシステム。
(項目100)
前記冷却構成要素は、閉ループ構成要素である、項目96に記載のシステム。
(項目101)
前記冷却構成要素は、冷却剤源を備えている、項目96に記載のシステム。
(項目102)
前記冷却剤は、水である、項目101に記載のシステム。
(項目103)
前記標的は、0.02インチ以下の壁厚を有する、項目96に記載のシステム。
(項目104)
前記壁厚は、0.01インチ以下である、項目103に記載のシステム。
(項目105)
前記壁は、銅、銀、金、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される材料で構成されている、項目103または104に記載のシステム。
(項目106)
前記標的は、渦巻きを備え、前記渦巻きは、前記渦巻きを欠いている標的に対して表面積を増加させる、項目96に記載のシステム。
(項目107)
前記渦巻きは、フィンおよびリブ、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される、項目106に記載のシステム。
(項目108)
前記閉ループ構成要素は、脱イオン化サブ構成要素を備えている、項目100に記載のシステム。
(項目109)
前記閉ループ構成要素は、濾過サブ構成要素を備えている、項目100に記載のシステム。
(項目110)
前記冷却構成要素は、冷却剤の層流のために構成されている、項目96に記載のシステム。
(項目111)
前記冷却構成要素は、不規則な表面特徴を有するチャネルを備えている、項目96に記載のシステム。
(項目112)
前記不規則な表面特徴は、へこみおよび螺旋状くぼみ、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される、項目111に記載のシステム。
(項目113)
前記冷却剤構成要素は、前記標的との接触に先立って冷却剤を予冷するために位置付けられた冷却装置を備えている、項目96に記載のシステム。
(項目114)
項目96-113のいずれかに記載のシステムの使用を含む高電力密度固体標的を用いて中性子を発生させる方法。
(項目115)
システムであって、前記システムは、中性子発生器システムの一部であるか、または中性子発生器システムでの使用のためであり、前記システムは、
a)固体標的と、b)真空システムと、c)前記真空システムと流体連通し、前記固体標的の近傍に希ガスを放出するように構成された希ガス源とを備えている、システム。
(項目116)
希ガスは、アルゴンである、項目115に記載のシステム。
(項目117)
中性子発生器固体標的を浄化する方法であって、前記方法は、前記固体標的がイオンビームにさらされている間、前記固体標的を希ガスにさらすことを含む、方法。
(項目118)
前記希ガスは、アルゴンである、項目117に記載の方法。
(項目119)
前記希ガスは、1~10立方センチメートル/分で流動させられる、項目117に記載の方法。
(項目120)
中性子発生器システムであって、前記中性子発生器システムは、
a)イオンビームを生成する加速器と、b)前記イオンビームによって接触されるように位置付けられたガス標的と、c)前記加速器および前記ガス標的を分離している標的開口と、d)前記イオンビームを前記開口に集束させる操向構成要素と、e)前記標的開口の上流に向いた表面の近傍に位置付けられた複数の熱センサとを備えている、中性子発生器システム。
(項目121)
前記複数の熱センサは、前記開口の軸の周りに90度の間隔で等しく間隔を置かれた4つの熱センサを備えている、項目120に記載のシステム。
(項目122)
前記センサは、熱電対を備えている、項目120に記載のシステム。
(項目123)
前記熱電対は、銅コンスタンタン熱電対である、項目122に記載のシステム。
(項目124)
前記センサは、白金抵抗温度検出器(RTD)、サーミスタ、および半導体温度センサから成る群から選択される、項目120に記載のシステム。
(項目125)
前記センサから温度信号を受信するプロセッサをさらに備えている、項目120に記載のシステム。
(項目126)
前記プロセッサは、前記センサからの温度信号を合計し、平均標的開口温度を生成する、項目125に記載のシステム。
(項目127)
前記プロセッサは、前記平均標的開口温度に基づいて前記イオンビーム位置を調節し、前記標的開口の温度を最小化する、項目126に記載のシステム。
(項目128)
中性子発生器システムにおいてイオンビームを標的開口に操向する方法であって、前記方法は、a)前記標的開口の周囲の複数の場所において温度を測定することと、b)前記標的開口における温度を最小化するようにイオンビームを操向することとを含む、方法。(項目129)
中性子発生器システムであって、前記中性子発生器システムは、a)イオンビームを生成する加速器と、b)前記イオンビームによって接触されるように位置付けられたガス標的と、c)前記加速器および前記ガス標的を分離している標的開口と、d)前記開口を横断する圧力差を増加させる逆ガス噴射とを備えている、中性子発生器システム。
(項目130)
前記逆ガス噴射は、ノズルを備え、前記ノズルは、それが収束した後、広がる、項目129に記載のシステム。
(項目131)
前記逆ガス噴射は、約3/8インチのノズル開口を備えている、項目129に記載のシステム。
(項目132)
前記逆ガス噴射は、0.01インチ未満の狭径部間隙を備えている、項目131に記載のシステム。
(項目133)
前記逆ガス噴射は、12.5度のノズル角度を備えている、項目132に記載のシステム。
(項目134)
中性子発生器の標的開口を横断する圧力差を増加させる方法であって、前記方法は、前記標的開口において逆ガス噴射を採用することを含む、方法。
(項目135)
ビームスクレーパを備えている中性子発生器システムであって、前記ビームスクレーパは、モータを使用してイオンビームの経路の中へ移動可能であり、前記モータは、標的を含む真空容器の外側の前記発生器システムに搭載されている、システム。
(項目136)
前記モータは、磁気的に結合された真空フィードスルーを介して前記ビームスクレーパに接続されている、項目135に記載のシステム。
(項目137)
前記モータ、ビームスクレーパ、およびそれらの間の接続は、ろう付け製造を伴う全金属である、項目135に記載のシステム。
(項目138)
中性子発生器内の標的に衝打するイオンビームの一部を遮断する方法であって、前記方法は、モータを使用してイオンビームによって接触される位置にビームスクレーパを移動させることを含み、前記モータは、前記標的を含む真空容器の外側の前記発生器システムに搭載されている、方法。
(項目139)
システムであって、前記システムは、
a)第1のインターロックを有する高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、
b)第2のインターロックを有するユーザ制御ステーションと
を備え、
前記高エネルギーイオンビーム発生器と前記ユーザ制御ステーションとは、光ファイバインターロックを介して接続され、前記光ファイバインターロックは、前記発生器が動作するために安全であることを示すために閉鎖されたままである直列ループ内の複数の通常閉スイッチ、前記発生器が動作するために安全であることを示すために開放したままである並列ループ内のいくつかの通常開スイッチ、または、前記直列ループおよび前記並列ループの両方を備えている、システム。
(項目140)
前記高エネルギーイオンビーム発生器および前記ユーザ制御ステーションは、互いから電気的に分離されている、項目139に記載のシステム。
(項目141)
前記光ファイバインターロックは、周波数発生器を備えている、項目139に記載のシステム。
(項目142)
前記周波数発生器は、光ファイバ伝送機をトリガし、設定された周波数において光が脈打つようにする、項目141に記載のシステム。
(項目143)
前記システムは、前記光ファイバインターロックを管理する制御ソフトウェアを備えている、項目139に記載のシステム。
(項目144)
前記制御ソフトウェアは、前記光ファイバインターロックの多重信号検証プロシージャを動作させる、項目143に記載のシステム。
(項目145)
方法であって、前記方法は、項目139-144のいずれかに記載のシステムを使用して、前記高エネルギーイオンビーム発生器から前記ユーザ制御ステーションに情報を伝送すること、または前記ユーザ制御ステーションから前記高エネルギーイオンビーム発生器に情報を伝送することを含む、方法。
(項目146)
システムであって、前記システムは、
a)ビームを生成する高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、
b)損傷軽減構成要素と
を備え、
前記損傷軽減構成要素は、
i)前記デバイス上に位置付けられ、前記ビームと相互作用し得る前記デバイスの複数の領域を監視するように構成された複数のセンサと、
ii)前記複数のセンサと通信し、アラートまたはアラームを発生させ、前記アラートまたはアラームに応答して前記デバイスを調節するように構成された制御ソフトウェアと
を備えている、システム。
(項目147)
前記複数のセンサのうちの1つ以上のものは、前記デバイスの領域の温度を測定する、項目146に記載のシステム。
(項目148)
前記複数のセンサのうちの1つ以上のものは、冷却剤流率を測定する、項目146に記載のシステム。
(項目149)
前記センサは、連続感知モードである、項目146に記載のシステム。
(項目150)
各センサは、それに関連付けられた閾値を有し、前記閾値を超えた場合、前記アラートまたはアラームを発生させる、項目146に記載のシステム。
(項目151)
前記アラートは、ユーザ警告を備えている、項目146に記載のシステム。
(項目152)
前記アラームは、デバイスシャットダウンをトリガする、項目146に記載のシステム。
(項目153)
前記アラームは、さらなる動作に先立って前記デバイスをリセットすることをユーザに要求するラッチアームである、項目146に記載のシステム。
(項目154)
前記制御ソフトウェアは、EMIを除外する、項目146に記載のシステム。
(項目155)
前記除外されたEMIは、所定の閾値持続時間または周波数の下にある、項目154に記載のシステム。
(項目156)
項目146-155のいずれかに記載のシステムを使用して、高エネルギーイオンビーム発生器デバイスへの潜在的損傷事象を検出することを含む方法。
(項目157)
システムであって、前記システムは、
a)高エネルギーイオンビーム発生器デバイスと、
b)アークダウン軽減構成要素と
を備え、
前記アークダウン軽減構成要素は、
i)前記デバイス上に位置付けられ、アークダウン事象と一致する条件を監視するように構成された複数のセンサと、
ii)前記複数のセンサと通信し、アラートまたはアラームを発生させ、前記アラートまたはアラームに応答して前記デバイスを調節するように構成された制御ソフトウェアと
を備えている、システム。
(項目158)
前記アラームは、ユーザ介入を伴わずに前記デバイスを正常動作に戻す自動復旧シーケンスをトリガする、項目157に記載のシステム。
(項目159)
項目157-158のいずれかに記載のシステムを使用して、アークダウン事象に応答することを含む方法。
(項目160)
i)高電圧電力供給源(HVPS)設定値、および/または、ii)イオン源電流設定値を管理する閉ループ制御構成要素を備えている高エネルギーイオンビーム発生器システム。
(項目161)
i)閉ループ制御構成要素を用いて高電圧電力供給源(HVPS)設定値を管理すること、および/または、ii)イオン源電流設定値を管理することを含む高エネルギーイオンビーム発生器における中性子束出力変動性を制御する方法。
(項目162)
中性子ラジオグラフィでの使用のための中性子コリメータであって、前記中性子コリメータは、高密度ポリエチレン(HDPE)層と、ホウ酸化ポリエチレン層と、金属層と、カドミウム層とを備えている、中性子コリメータ。
(項目163)
a)中性子源と、b)項目162に記載の中性子コリメータと、c)検出器とを備えている熱中性子ラジオグラフィのためのシステム。
(項目164)
前記コリメータは、それが高速中性子源とまっすぐに整列しないようにオフセットされている、項目163に記載のシステム。
(項目165)
サンプルを撮像する方法であって、前記方法は、項目163または164に記載のシステムによって発生させられる中性子にサンプルをさらすことを含む、方法。
(項目166)
項目1-165のいずれかに記載の高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムを備えている半導体製造システムまたは方法であって、前記加速器システムは、ビームを半導体材料を保持する構成要素に向かわせる、半導体製造システムまたは方法。
(項目167)
項目1-165のいずれかに記載の高エネルギーイオンビーム発生器システムまたは方法から発生させられる陽子と半導体材料を接触させることを含む半導体ウエハを製造する方法。
(項目168)
前記半導体材料を割断することによって、薄膜ウエハを生成するステップをさらに含む、項目167に記載の方法。
(項目169)
前記薄膜ウエハから光起電(PV)ウエハを加工するステップをさらに含む、項目168に記載の方法。
(項目170)
前記光起電ウエハを備えている太陽電池パネルを加工するステップをさらに含む、項目169に記載の方法。
(項目171)
前記薄膜ウエハから発光ダイオード(LED)を加工するステップをさらに含む、項目168に記載の方法。
In some embodiments, systems and methods for semiconductor manufacturing are provided herein. In some embodiments, the system comprises an accelerator system that generates a high energy ion beam (e.g., a hydrogen ion beam) as described herein, which directs the beam at a component that holds the semiconductor material. In some embodiments, the method comprises contacting the semiconductor material with protons generated from a high energy ion beam generator system as described herein. In some embodiments, the method further comprises creating a thin film wafer by fracturing the semiconductor material (e.g., at a fracturing site formed by the implanted hydrogen ions). In some embodiments, the method further comprises fabricating a photovoltaic (PV) wafer from the thin film wafer. In some embodiments, the method further comprises fabricating a solar panel comprising the photovoltaic wafer. In some embodiments, the method further comprises fabricating a light emitting diode (LED) comprising the photovoltaic wafer. In some embodiments, the method further comprises fabricating a light emitting diode (LED) from the thin film wafer.
The present specification also provides, for example, the following items:
(Item 1)
A device, the device comprising:
a) a waveguide, said waveguide comprising:
i) a proximal end having an electromagnetic wave entry point;
ii) a distal end having an electromagnetic wave exit point;
iii) an outer wall extending between the proximal end and the distal end and configured to propagate electromagnetic waves; and
b) an inverse impedance matching component located inside the waveguide component;
the inverse impedance matching component extends from the distal end of the waveguide at least part way toward the proximal end of the waveguide;
A device, wherein the inverse impedance matching component has a distal end and a proximal end, the distal end of the impedance matching component being located at or near the distal end of the waveguide and having a larger cross-sectional area than the proximal end of the inverse impedance matching component.
(Item 2)
3. The device of claim 1, wherein the inverse impedance matching component comprises a metal.
2. The device of claim 1, wherein the inverse impedance matching component is configured to be cooled by water.
(Item 4)
2. The device of claim 1, wherein the inverse impedance matching component is located along a centerline of the waveguide.
(Item 5)
5. The device of claim 4, wherein the inverse impedance matching component is supported by one or more support legs attached to an outer wall of the waveguide.
(Item 6)
2. The device of claim 1, wherein the electromagnetic waves are microwaves.
(Item 7)
2. The device of claim 1, wherein a cross-sectional area of the anti-impedance matching component at the distal end is at least two, three, or four times larger than a cross-sectional area of the anti-impedance matching component at the proximal end.
(Item 8)
2. The device of claim 1, wherein the reverse impedance matching component comprises one or more steps that allow the cross-sectional area to vary from the proximal end to the distal end of the reverse impedance matching component.
(Item 9)
2. The device of claim 1, wherein the reverse impedance matching component comprises a taper from the proximal end to the distal end of the reverse impedance matching component, thereby allowing the cross-sectional area to vary.
(Item 10)
2. The device of claim 1, wherein the cross-sectional area of the inverse impedance matching component at the distal end is large enough to block all or nearly all backflowing electrons when the device is part of an accelerator system.
(Item 11)
a) an electromagnetic wave source;
b) a plasma chamber; and
c) A system comprising the device according to claim 1.
(Item 12)
12. The system of claim 11, wherein the proximal end of the waveguide is operably attached to the electromagnetic wave source and the distal end of the waveguide is operably attached to the plasma chamber.
(Item 13)
12. The system of claim 11, wherein the electromagnetic wave source comprises a microwave source.
(Item 14)
1. A system comprising:
a) a computer processor;
b) a non-transitory computer memory comprising one or more computer programs and a database, the one or more computer programs comprising accelerator system monitoring and/or optimization software; and
c) an accelerator system for generating a high energy ion beam;
The accelerator system includes the following subsystems in operative communication with the non-transitory computer memory and capable of being automatically adjusted by the accelerator system monitoring and/or optimization software:
i) an ion source and an ion source monitoring component;
ii) a focusing solenoid magnet and a focusing solenoid magnet monitoring component;
iii) tube opening and tube opening monitoring components;
iv) a solid or gas target and a solid or gas target monitoring component;
v) an extraction and suppression component and an extraction and suppression monitoring component;
vi) a beam generation subsystem and a beam generation subsystem monitoring component;
vii) a beam focusing and steering subsystem and a beam focusing and steering subsystem monitoring component;
viii) an accelerator/resistor subsystem and an accelerator/resistor subsystem monitoring component;
ix) a beam-steering subsystem and a beam-steering subsystem monitoring component;
x) a pressurized gas subsystem component and a pressurized gas subsystem component monitoring component.
(Item 15)
15. The system of claim 14, wherein: 1) the ion source monitoring components comprise mass flow meters, thermocouples, coolant flow meters, and/or pressure gauges; 2) the focusing solenoid monitoring components comprise thermocouples, coolant flow meters, voltage monitors, and/or current monitors; 3) the tube opening monitoring components comprise cameras, thermocouples, and/or coolant flow meters; 4) the solid or gas target monitoring components comprise cameras, thermocouples, coolant flow meters, and/or radiation detectors; 5) the extraction and suppression monitoring components comprise pressure gauges, thermocouples, current monitors, and/or voltage monitors; 6) the beam generation subsystem monitoring components comprise current monitors and/or emittance scanners; and 7) the pressurized gas subsystem component monitoring components comprise pressure gauges and/or gas analyzers.
(Item 16)
15. The system of claim 14, wherein the accelerator system monitoring and/or optimization software is configured to collect and analyze a plurality of different settings of the subsystems and calculate optimized settings for such subsystems.
(Item 17)
17. The system of claim 16, wherein the accelerator system monitoring and/or optimization software is configured to modify the settings in one or more of the subsystems to at least partially optimize performance of the accelerator system.
(Item 18)
1. A system comprising:
a) an ion source plasma chamber having a source axis along a direction of a beam exiting the plasma chamber;
b) at least one ion source magnet, the at least one ion source magnet comprising an opening and at least one outer wall, the ion source plasma chamber extending through the opening of the at least one ion source magnet;
c) at least one receiving component attached to or integral with said at least one outer wall of said at least one ion source magnet;
d) a ferromagnetic enclosure, wherein the at least one ion source magnet and the ion source plasma chamber are inside the ferromagnetic enclosure, the at least one ion source magnet can be moved to a plurality of different positions inside the ferromagnetic enclosure along the source axis of the plasma chamber, and the ferromagnetic enclosure has at least one longitudinal opening extending along the direction of the source axis and aligned with the receiving component;
e) at least one adjustment component extending through said longitudinal opening and configured to attach to said receiving component;
the at least one adjustment component is capable of fixing the at least one ion source magnet at the plurality of different positions inside the ferromagnetic enclosure.
system.
(Item 19)
20. The system of claim 18, wherein the receiving component comprises a threaded metal connector.
(Item 20)
20. The system of claim 18, wherein the adjustment component comprises a threaded bolt.
(Item 21)
20. The system of claim 18, wherein the receiving component is integral with the at least one ion source magnet.
(Item 22)
20. The system of claim 18, wherein the at least one ion source magnet is at least partially encapsulated in epoxy.
(Item 23)
20. The system of claim 18, wherein the at least one ion source magnet comprises two ion source magnets.
(Item 24)
20. The system of claim 18, wherein the at least one vertical opening comprises at least two, three, or four vertical openings.
(Item 25)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to any one of items 18-24;
b) moving the at least one ion source magnet from a first position among the plurality of positions to a second position among the plurality of positions;
c) inserting the at least one adjustment component into the at least one receiving component through the at least one longitudinal opening;
d) fixing the at least one adjustment component to the at least one receiving component, thereby fixing the at least one ion source magnet in the second position.
(Item 26)
26. The method of claim 25, wherein the at least one ion source magnet comprises a first and a second ion source magnet, and both the first and second ion source magnets are moved from a first position to a second position and fixed at the second position.
(Item 27)
1. An article of manufacture comprising a metal assembly of an accelerator system for generating a high energy ion beam,
the metal assembly, when positioned within the accelerator system, i) partially intercepts the high energy ion beam; and ii) is within a vacuum environment;
The metal assembly comprises: i) at least one water cooling channel; and ii) a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint.
(Item 28)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the first and second metallic components comprise highly thermally conductive metals.
(Item 29)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the filler metal has a lower melting point than the first and second metal components.
(Item 30)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the first metal component comprises a tube sheet and the second metal component comprises a tube plate.
(Item 31)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the filler metal comprises a BNi-7 alloy.
(Item 32)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the first metal component comprises a first item selected from the group consisting of a first tube, a tube cap, a different tube sheet, and a valve, and the second metal component comprises a second item selected from the group consisting of a second tube, a tube cap, a different tube sheet, and a valve.
(Item 33)
28. The article of manufacture of claim 27, wherein the at least one water cooling channel comprises at least two water cooling channels.
(Item 34)
1. A system comprising:
a) an accelerator system for generating a high energy ion beam;
b) a metal assembly; and
the metal assembly is positioned within the accelerator system, whereby the metal assembly i) partially intercepts the high energy ion beam; and ii) is within a vacuum environment;
The system, wherein the metal assembly comprises: i) at least one water cooling channel; and ii) a first metal component, a second metal component, and a filler metal, the filler metal attaching the first metal component to the second metal component at a joint.
(Item 35)
1. A method, comprising:
a) attaching a first metal component to a second metal component with a filler metal using a brazing technique to produce a metal assembly;
b) inserting the metal assembly into an accelerator system that generates a high energy ion beam;
The method, wherein the metal assembly is positioned to partially intercept the high energy ion beam.
(Item 36)
Item 36. The method of item 35, wherein the metal assembly further comprises at least one water cooling channel.
(Item 37)
Item 36. The method of item 35, wherein the metal assembly is further positioned so as to be in a vacuum environment.
(Item 38)
1. A system comprising:
a) a high voltage dome;
b) an ion source plasma chamber located inside the high voltage dome;
c) an extraction component operably coupled to the ion source plasma chamber; and
d) a gas removal subsystem, said gas removal subsystem comprising:
i) an exhaust component located inside the high voltage dome;
ii) an insulating hose, a first portion of the insulating hose being located inside the high voltage dome and a second portion of the insulating hose being located outside the high voltage dome in an area of lower voltage;
iii) a first vacuum pump located inside the high voltage dome and operably connected to the exhaust component and the extraction component, the first vacuum pump configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to the exhaust component; and
iv) a second vacuum pump located inside the high voltage dome and operably connected to the exhaust component; and a gas removal subsystem comprising:
the second vacuum pump is configured to receive the gas from the exhaust component at a first pressure and deliver the gas to the insulated hose at a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
(Item 39)
e) an outer pressure vessel, wherein at least a portion of the high voltage dome, the ion source plasma chamber, the extraction component, the exhaust component, the first vacuum pump, the second pump, and the insulated hose are located within the pressure vessel.
(Item 40)
40. The system of claim 38, wherein the insulating hose is configured to vent the gas to atmosphere.
(Item 41)
40. The system of claim 38, wherein the gas is a non-ionized gas.
(Item 42)
42. The system of claim 41, wherein the non-ionized gas is deuterium gas.
(Item 43)
40. The system of claim 38, further comprising the gas.
(Item 44)
44. The system of claim 43, wherein the gas is a non-ionized gas.
(Item 45)
Item 39. The system of item 38, wherein the insulating hose has a helical shape.
(Item 46)
Item 46. The system of item 45, wherein the insulating hose has about 20-30 helical turns and is about 5-15 feet in length.
(Item 47)
40. The system of claim 38, wherein the first vacuum pump comprises a pump selected from a turbomolecular pump, a cryopump, an ion pump, and a high vacuum pump.
(Item 48)
Item 39. The system of item 38, wherein the second vacuum pump comprises a roughing pump.
(Item 49)
e) an inner pressure vessel located inside the high voltage dome, wherein the second vacuum pump is located in the pump pressure vessel, and the following components: the high voltage dome, the ion source plasma chamber, the extraction component, and the first vacuum pump are not located in the inner pressure vessel.
(Item 50)
1. A gas removal subsystem configured to be installed into a high energy ion beam generating system having a high voltage dome and an extraction component, the gas removal subsystem comprising:
a) an exhaust component configured to be positioned inside the high voltage dome;
b) an insulating hose, a first portion of the insulating hose configured to extend through an opening in the high voltage dome; and
c) a first vacuum pump configured to be located inside the high voltage dome and operably coupled to the exhaust component and the extraction component, the first vacuum pump configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to the exhaust component; and
d) a second vacuum pump configured to be located inside the high voltage dome and configured to be operably connected to the exhaust component;
a gas removal subsystem, the second vacuum pump configured to receive the gas from the exhaust component at a first pressure and deliver the gas to the insulated hose at a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
(Item 51)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to claim 50;
b) activating the gas removal subsystem;
The gas present in the extraction component is
i) removed by said first vacuum pump to said exhaust component;
ii) received by the second vacuum pump from the exhaust component at a first pressure and delivered to the insulating hose at a second pressure higher than the first pressure;
iii) delivered to atmosphere by said insulating hose;
method.
(Item 52)
52. The method of claim 51, wherein the gas in the extraction component is a non-ionized gas that travels to the extraction component from the ion source plasma chamber.
(Item 53)
1. A system comprising:
a) an outer pressure vessel;
b) an inner pressure vessel located inside the outer pressure vessel;
c) an exhaust component located inside the outer pressure vessel, a portion of the exhaust component also located within the inner pressure vessel; and
d) an insulating hose located inside the outer pressure vessel, a portion of the insulating hose also located within the inner pressure vessel; and
e) a first vacuum pump located inside the outer pressure vessel and operably connected to the exhaust component;
f) a second vacuum pump located inside the inner pressure vessel and operably connected to the exhaust component.
(Item 54)
54. The system of claim 53, wherein the outer pressure vessel comprises a gas at a higher pressure than the gas in the inner pressure vessel.
(Item 55)
54. The system of claim 53, wherein the gas in the inner pressure vessel is at about atmospheric pressure.
(Item 56)
54. The system of claim 53, wherein the first vacuum pump is configured to be operably coupled to an extraction component of an accelerator system that generates a high-energy ion beam, and the first vacuum pump is configured to remove gas from the extraction component and deliver the gas to the exhaust component.
(Item 57)
Item 57. The system of item 56, wherein the second vacuum pump is configured to receive the gas from the exhaust component at a first pressure and deliver the gas to the insulated hose at a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
(Item 58)
54. The system of claim 53, further comprising an extraction component.
(Item 59)
60. The system of claim 58, further comprising an ion source plasma chamber located inside the outer pressure vessel.
(Item 60)
60. The system of claim 59, wherein the extraction component is operably coupled to the ion source plasma chamber.
(Item 61)
1. A system comprising:
a) at least one high voltage component held at a high voltage in an accelerator system that generates a high energy ion beam;
b) a power component electrically coupled to the at least one high voltage component;
the power component provides power to the at least one high voltage component;
the power component comprises a V-belt;
The system wherein the V-belt comprises a plurality of sections that are i) poor electrical conductors or ii) non-electrical conductors.
(Item 62)
62. The system of claim 61, wherein the V-belt comprises a polyester polyurethane composite material.
(Item 63)
62. The system of claim 61, wherein the power components further comprise a motor and a generator.
(Item 64)
Item 62. The system of item 61, wherein the power components further comprise a first V-belt pulley operably attached to the motor and a second V-belt pulley operably attached to the generator.
(Item 65)
62. The system of claim 61, wherein the at least one high voltage component comprises an ion source plasma chamber.
(Item 66)
1. A system comprising:
a) an accelerator subsystem for generating a high energy ion beam, said accelerator subsystem comprising:
i) an ion source plasma chamber;
ii) a microwave generating component that generates microwaves; and
iii) a power source operably coupled to said microwave generating component; and
iv) a waveguide positioned to receive the microwaves and deliver them to the ion source plasma chamber, where the microwaves contact a gas in the ion plasma chamber to generate an ion source; and
v) an ion beam extraction component operatively coupled to the ion source plasma chamber for extracting a low energy ion beam from the ion plasma chamber;
iv) an accelerator subsystem comprising an accelerator column and an accelerator component comprising an accelerator entrance aperture for receiving the low energy ion beam and an accelerator exit aperture for delivering the high energy ion beam;
b) a power modulation component operably coupled to the power source;
The power modulation component is configured to modulate the power flowing from the power source to the microwave generating component, whereby the microwaves incident on the waveguide are rapidly pulsed and/or extinguished/generated, thereby rapidly pulsing and/or extinguishing/generating the high energy ion beam.
(Item 67)
68. The system of claim 66, wherein the accelerator system is a direct injection accelerator system.
67. The system of claim 66, wherein the microwave generating component comprises a magnetron.
(Item 69)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to claim 66;
b) activating the accelerator subsystem and the power modulation components such that the high energy ion beam is generated, rapidly pulsed, and/or extinguished/generated.
(Item 70)
1. A method, comprising:
a) in a direct injection accelerator system for generating a high energy ion beam, positioning an ion beam generating component at a first distance from an accelerator inlet of an accelerator column;
b) positioning the ion beam generating component at a second distance from an accelerator inlet of an accelerator column;
The method, wherein the second distance is different from the first distance, and the second distance improves performance of the direct injection accelerator system.
(Item 71)
Item 71. The method of item 70, wherein the first and second distances are in the range of 20 to 500 mm.
(Item 72)
1. A system comprising:
a) a direct injection accelerator subsystem for generating a high energy ion beam, said accelerator system comprising:
i) an ion source plasma chamber;
ii) a microwave generating component that generates microwaves; and
iii) a power source operably coupled to said microwave generating component; and
iv) a waveguide positioned to receive the microwaves and deliver them to the ion source plasma chamber, where an ion beam is generated when the microwaves contact a gas in the ion plasma chamber; and
v) an extraction component operably connected to the ion source plasma chamber; and
iv) an accelerator component comprising an accelerator column and an accelerator entrance aperture for receiving the ion beam;
b) a vacuum component; and
The system, wherein the vacuum component is operably coupled to the extraction component and/or the accelerator component, and the vacuum component is configured to reduce pressure within the extraction component and/or the accelerator component.
(Item 73)
73. The system of claim 72, wherein the reduction in pressure is at a level that reduces a diameter of the high energy ion beam.
(Item 74)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to claim 72;
b) activating the direct injection accelerator subsystem and the vacuum components such that the high energy ion beam is generated;
The method, wherein the energetic ion beam has a smaller diameter than it would have in the absence of the reduction in pressure.
(Item 75)
1. A system comprising:
a) an accelerator subsystem for generating a high energy ion beam, said accelerator subsystem comprising:
i) a high voltage dome;
ii) an ion beam generating component located inside the high voltage dome;
iii) an accelerator component comprising an accelerator column; and
b) a water resistor subsystem; and
The water resistor subsystem comprises:
i) a water circulation component comprising a water piping and a water reservoir;
ii) a water resistor element extending along the accelerator column;
The system, wherein the water resistor element comprises non-conductive tubing fluidly connected to or integral with the water piping, whereby controlled conductivity water circulating within the water circulation component passes through the water resistor element.
(Item 76)
Item 76. The system of item 75, further comprising the controlled conductivity water, the controlled conductivity water comprising: i) deionized water; and 2) a deionizing (DI) resin and a metal salt.
(Item 77)
76. The system of claim 75, wherein the accelerator component further comprises a plurality of grading rings extending along the accelerator column.
(Item 78)
79. The system of claim 75, wherein the insulating tubing comprises a material selected from the group consisting of polycarbonate, polymethylmethacrylate (PMMA), and polyethylene.
76. The system of claim 75, wherein the water circulation components further comprise a water pump and a heat exchanger.
(Item 80)
76. The system of claim 75, wherein the controlled conductivity water comprises a sufficient amount of the DI resin such that the deionized water has a resistivity of 15 megaohm-cm or greater.
(Item 81)
76. The system of claim 75, wherein the metal salt is selected from the group consisting of copper sulfate, sodium chloride, ammonium chloride, magnesium sulfate, and sodium thiosulfate.
(Item 82)
76. The system of claim 75, wherein the water resistor element can withstand voltages up to about 300 kV DC and remove heat up to about 3 kW.
(Item 83)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to claim 75;
b) activating the accelerator subsystem and the water resistor subsystem;
The method of claim 1, wherein the controlled conductivity water circulates through the water circulation component while the high energy ion beam is being generated, and the water resistor element functions as an electrical resistor along the accelerator column.
(Item 84)
1. A system comprising:
a) at least one high voltage power supply (HVPS) configured to deliver power to components of an accelerator subsystem that generates a high energy ion beam;
b) a water resistor subsystem; and
The water resistor subsystem comprises:
i) a water circulation component comprising a water piping and a water reservoir;
ii) a water resistor element comprising insulating tubing;
the insulating tubing is fluidly connected to or integral with the water piping, whereby controlled conductivity water circulation within the water circulation component passes through the water resistor element;
system.
(Item 85)
1. A method, comprising:
a) providing a system according to claim 84;
b) testing the at least one HVPS using the water resistor subsystem as a test load.
(Item 86)
1. A method of designing a lens, the method comprising:
a) inputting the following parameters at the plasma lens aperture of the accelerator system into a software application: beam current, extraction voltage, ion species ratio, maximum electric field, and ion current density;
b) receiving an output from the software for the design of at least one lens in an electrostatic lens stack, the electrostatic lens stack comprising a plasma lens, an extraction lens, a suppression lens, and an exit lens;
and c) fabricating the at least one lens based on the output.
(Item 87)
87. The method of claim 86, wherein the software application comprises a PBGUNS software application.
(Item 88)
89. The method of claim 86, wherein the at least one lens comprises at least two, at least three, or all four of the lenses in the electrostatic lens stack.
87. The method of claim 86, further comprising inputting at least one of a grid accuracy, an empirically determined beam neutralization factor, and electron and ion temperatures in the source plasma into the software application.
(Item 90)
1. A high energy ion beam generator system comprising an extraction lens stack having a plurality of insulating balls positioned between lens gaps of the extraction lens stack.
(Item 91)
Item 91. The system of item 90, wherein three insulating balls are positioned between each lens gap.
(Item 92)
Item 92. The system of item 91, wherein the three insulating balls are evenly spaced in azimuth coordinates.
(Item 93)
Item 91. The system of item 90, wherein the lens stack is held together using metal bolts.
(Item 94)
Item 91. The system of item 90, wherein the insulating ball is an alumina ceramic ball.
(Item 95)
95. A method for generating neutrons or protons comprising using a system according to any of items 90-94.
(Item 96)
1. A neutron generator system, comprising:
a) a high power density solid target comprising reactive hydrogen species embedded in a solid matrix;
b) a cooling component.
(Item 97)
97. The system of claim 96, wherein the solid matrix comprises titanium.
(Item 98)
97. The system of claim 96, wherein the reactive hydrogen species is deuterium.
(Item 99)
97. The system of claim 96, wherein the reactive hydrogen species is tritium.
(Item 100)
97. The system of claim 96, wherein the cooling component is a closed loop component.
(Item 101)
97. The system of claim 96, wherein the cooling component comprises a coolant source.
(Item 102)
Item 102. The system of item 101, wherein the coolant is water.
(Item 103)
97. The system of claim 96, wherein the target has a wall thickness of 0.02 inches or less.
(Item 104)
Item 104. The system of item 103, wherein the wall thickness is 0.01 inches or less.
(Item 105)
105. The system of claim 103 or 104, wherein the wall is constructed of a material selected from the group consisting of copper, silver, gold, diamond, diamond-like carbon, or combinations thereof.
(Item 106)
97. The system of claim 96, wherein the target comprises a swirl that increases the surface area relative to a target lacking the swirl.
(Item 107)
Item 107. The system of item 106, wherein the volute is selected from the group consisting of fins and ribs, or combinations thereof.
(Item 108)
Item 101. The system of item 100, wherein the closed loop component comprises a deionization subcomponent.
(Item 109)
101. The system of claim 100, wherein the closed loop component comprises a filtration subcomponent.
(Item 110)
97. The system of claim 96, wherein the cooling component is configured for laminar flow of coolant.
(Item 111)
97. The system of claim 96, wherein the cooling component comprises channels having irregular surface features.
(Item 112)
Item 112. The system of item 111, wherein the irregular surface features are selected from the group consisting of dimples and spiral depressions, or combinations thereof.
(Item 113)
97. The system of claim 96, wherein the coolant component comprises a cooling device positioned to pre-cool the coolant prior to contact with the target.
(Item 114)
A method for generating neutrons using a high power density solid target comprising the use of a system according to any of claims 96-113.
(Item 115)
1. A system, the system being part of or for use in a neutron generator system, the system comprising:
A system comprising: a) a solid target; b) a vacuum system; and c) a noble gas source in fluid communication with the vacuum system and configured to emit a noble gas in a vicinity of the solid target.
(Item 116)
Item 116. The system of item 115, wherein the noble gas is argon.
(Item 117)
1. A method of purifying a neutron generator solid target, the method comprising exposing the solid target to a noble gas while the solid target is exposed to an ion beam.
(Item 118)
Item 118. The method of item 117, wherein the noble gas is argon.
(Item 119)
Item 118. The method of item 117, wherein the noble gas is flowed at 1 to 10 cubic centimeters per minute.
(Item 120)
1. A neutron generator system, comprising:
1. A neutron generator system comprising: a) an accelerator that produces an ion beam; b) a gas target positioned to be contacted by the ion beam; c) a target aperture separating the accelerator and the gas target; d) a steering component that focuses the ion beam into the aperture; and e) a plurality of thermal sensors positioned near an upstream-facing surface of the target aperture.
(Item 121)
Item 121. The system of item 120, wherein the plurality of thermal sensors comprises four thermal sensors equally spaced at 90 degree intervals around the axis of the aperture.
(Item 122)
Item 121. The system of item 120, wherein the sensor comprises a thermocouple.
(Item 123)
Item 123. The system of item 122, wherein the thermocouple is a copper-constantan thermocouple.
(Item 124)
Item 121. The system of item 120, wherein the sensor is selected from the group consisting of a platinum resistance temperature detector (RTD), a thermistor, and a semiconductor temperature sensor.
(Item 125)
Item 121. The system of item 120, further comprising a processor receiving a temperature signal from the sensor.
(Item 126)
Item 126. The system of item 125, wherein the processor sums temperature signals from the sensors to generate an average target aperture temperature.
(Item 127)
127. The system of claim 126, wherein the processor adjusts the ion beam position based on the average target aperture temperature to minimize a temperature of the target aperture.
(Item 128)
129. A method of steering an ion beam to a target aperture in a neutron generator system, the method comprising: a) measuring temperature at a plurality of locations around the target aperture; and b) steering the ion beam to minimize the temperature at the target aperture.
1. A neutron generator system comprising: a) an accelerator that produces an ion beam; b) a gas target positioned to be contacted by the ion beam; c) a target aperture separating the accelerator and the gas target; and d) a reverse gas jet that increases a pressure differential across the aperture.
(Item 130)
Item 130. The system of item 129, wherein the reverse gas jet comprises a nozzle that converges and then diverges.
(Item 131)
Item 130. The system of item 129, wherein the reverse gas jet comprises a nozzle opening of about 3/8 inch.
(Item 132)
Item 132. The system of item 131, wherein the reverse gas jet has a narrow section gap of less than 0.01 inches.
(Item 133)
Item 133. The system of item 132, wherein the reverse gas jet has a nozzle angle of 12.5 degrees.
(Item 134)
1. A method of increasing a pressure differential across a target opening of a neutron generator, the method comprising employing reverse gas injection at the target opening.
(Item 135)
1. A neutron generator system comprising a beam scraper, the beam scraper being movable into the path of an ion beam using a motor, the motor being mounted to the generator system outside a vacuum vessel containing a target.
(Item 136)
Item 136. The system of item 135, wherein the motor is connected to the beam scraper via a magnetically coupled vacuum feedthrough.
(Item 137)
Item 136. The system of item 135, wherein the motor, beam scraper, and connections therebetween are all metal with brazing fabrication.
(Item 138)
1. A method for blocking a portion of an ion beam striking a target in a neutron generator, the method comprising: moving a beam scraper using a motor to a position where it will be contacted by the ion beam, the motor being mounted on the generator system outside a vacuum vessel containing the target.
(Item 139)
1. A system comprising:
a) a high energy ion beam generator device having a first interlock;
b) a user control station having a second interlock;
The system, wherein the high energy ion beam generator and the user control station are connected via a fiber optic interlock, the fiber optic interlock comprising a number of normally closed switches in a series loop that remain closed to indicate that the generator is safe to operate, a number of normally open switches in a parallel loop that remain open to indicate that the generator is safe to operate, or both the series loop and the parallel loop.
(Item 140)
Item 140. The system of item 139, wherein the high energy ion beam generator and the user control station are electrically isolated from each other.
(Item 141)
Item 140. The system of item 139, wherein the fiber optic interlock comprises a frequency generator.
(Item 142)
Item 142. The system of item 141, wherein the frequency generator triggers a fiber optic transmitter to cause light to pulse at a set frequency.
(Item 143)
Item 140. The system of item 139, wherein the system includes control software that manages the fiber optic interlock.
(Item 144)
144. The system of claim 143, wherein the control software operates a multi-signal verification procedure for the fiber optic interlock.
(Item 145)
A method, the method including transmitting information from the high energy ion beam generator to the user control station or transmitting information from the user control station to the high energy ion beam generator using a system described in any of claims 139-144.
(Item 146)
1. A system comprising:
a) a high energy ion beam generator device for generating a beam;
b) a damage mitigation component; and
The damage mitigation component comprises:
i) a number of sensors positioned on the device and configured to monitor a number of areas of the device that may interact with the beam;
ii) control software configured to communicate with the plurality of sensors, generate alerts or alarms, and adjust the device in response to the alerts or alarms.
(Item 147)
Item 147. The system of item 146, wherein one or more of the plurality of sensors measures a temperature in an area of the device.
(Item 148)
Item 147. The system of item 146, wherein one or more of the plurality of sensors measures a coolant flow rate.
(Item 149)
Item 147. The system of item 146, wherein the sensor is in a continuous sensing mode.
(Item 150)
Item 147. The system of item 146, wherein each sensor has a threshold associated with it that, if exceeded, generates the alert or alarm.
(Item 151)
Item 147. The system of item 146, wherein the alert comprises a user warning.
(Item 152)
Item 147. The system of item 146, wherein the alarm triggers a device shutdown.
(Item 153)
Item 147. The system of item 146, wherein the alarm is a latch arm that requires the user to reset the device prior to further action.
(Item 154)
147. The system of claim 146, wherein the control software filters out EMI.
(Item 155)
Item 155. The system of item 154, wherein the rejected EMI is below a predetermined threshold duration or frequency.
(Item 156)
156. A method comprising detecting a potentially damaging event to a high energy ion beam generator device using a system according to any of claims 146-155.
(Item 157)
1. A system comprising:
a) a high energy ion beam generator device;
b) an arc-down mitigation component; and
The arc-down mitigation component comprises:
i) a plurality of sensors positioned on the device and configured to monitor for conditions consistent with an arc-down event;
ii) control software configured to communicate with the plurality of sensors, generate alerts or alarms, and adjust the device in response to the alerts or alarms.
(Item 158)
158. The system of claim 157, wherein the alarm triggers an automatic recovery sequence that returns the device to normal operation without user intervention.
(Item 159)
159. A method comprising: responding to an arc down event using a system according to any of claims 157-158.
(Item 160)
A high energy ion beam generator system comprising closed loop control components that govern i) high voltage power supply (HVPS) setpoints and/or ii) ion source current setpoints.
(Item 161)
A method for controlling neutron flux output variability in a high energy ion beam generator comprising: i) managing high voltage power supply (HVPS) setpoints using closed loop control components; and/or ii) managing ion source current setpoints.
(Item 162)
1. A neutron collimator for use in neutron radiography, the neutron collimator comprising a high density polyethylene (HDPE) layer, a borated polyethylene layer, a metal layer, and a cadmium layer.
(Item 163)
163. A system for thermal neutron radiography comprising: a) a neutron source; b) a neutron collimator according to item 162; and c) a detector.
(Item 164)
Item 164. The system of item 163, wherein the collimator is offset so that it is not directly aligned with the fast neutron source.
(Item 165)
165. A method for imaging a sample, the method comprising exposing the sample to neutrons generated by a system according to claim 163 or 164.
(Item 166)
A semiconductor manufacturing system or method comprising an accelerator system that generates a high-energy ion beam according to any one of claims 1-165, the accelerator system directing the beam toward a component that holds a semiconductor material.
(Item 167)
A method for manufacturing a semiconductor wafer comprising contacting a semiconductor material with protons generated from a high energy ion beam generator system or method according to any of claims 1-165.
(Item 168)
Item 168. The method of item 167, further comprising the step of producing a thin film wafer by fracturing the semiconductor material.
(Item 169)
Item 169. The method of item 168, further comprising the step of fabricating a photovoltaic (PV) wafer from the thin film wafer.
(Item 170)
Item 170. The method of item 169, further comprising the step of fabricating a solar panel comprising the photovoltaic wafer.
(Item 171)
Item 169. The method of item 168, further comprising fabricating light emitting diodes (LEDs) from the thin film wafer.

図1は、標的がガス標的である加速器システムの例示的概略図を示す。FIG. 1 shows an exemplary schematic diagram of an accelerator system in which the target is a gas target. 図2は、標的が固体標的である加速器システムの例示的概略図を示す。FIG. 2 shows an exemplary schematic diagram of an accelerator system in which the target is a solid target. 図3A-Bは、金属インピーダンス整合構成要素(2つの段階隆起が示されている)を伴う公知の導波路設計を示し、金属インピーダンス整合構成要素の各々は、そのより狭い寸法の方向に導波路のより広い面から内向きにそれぞれ延びている。図3Aが、断面図である一方で、図3Bは、各段階における電場を示す。Figures 3A-B show a known waveguide design with metallic impedance matching components (two step ridges are shown) each extending inwardly from the wider face of the waveguide in the direction of its narrower dimension, Figure 3A is a cross-sectional view, while Figure 3B shows the electric field at each step. 図4A-Bは、逆インピーダンス整合構成要素を伴う本開示の例示的導波路設計を示し、逆インピーダンス整合構成要素は、導波路の中央平面から導波路のより広い壁に向かって次第に外向きに延びている。図4Aが、断面図である一方で、図4Bは、各段階における電場を示す。4A-B show an example waveguide design of the present disclosure with an inverse impedance matching component that extends progressively outward from the midplane of the waveguide towards the wider walls of the waveguide, with FIG 4A being a cross-sectional view, while FIG 4B shows the electric field at each stage. 図5は、加速器システムにおけるテレメトリおよび診断の例示的レイアウトを示す。FIG. 5 shows an example layout of telemetry and diagnostics in an accelerator system. 図6は、自動マッピング(左)および閉ループフィードバック(右)のための例示的フローチャートを示す。FIG. 6 shows an exemplary flow chart for automatic mapping (left) and closed-loop feedback (right). 図7は、自動アルゴリズムによってマップされるイオン源動作相空間の2Dスライスの実施例を示す。FIG. 7 shows an example of a 2D slice of the ion source operating phase space that is mapped by the automated algorithm. 図8は、イオン源プラズマチャンバを包囲するソレノイド磁石を調節および固定するための調節システムの例示的実施形態を提供する。FIG. 8 provides an exemplary embodiment of an adjustment system for adjusting and fixing the solenoid magnet surrounding the ion source plasma chamber. 図9Aは、一緒にろう付けされる部品を伴う例示的差動管アセンブリを示す。図9Bは、その中に位置する水チャネルを示す例示的差動管板の透視図を示す。図9Cは、例示的差動管板の斜視図を示す。9A shows an example differential tube assembly with the parts brazed together, FIG 9B shows a perspective view of an example differential tube sheet showing the water channels located therein, and FIG 9C shows a perspective view of an example differential tube sheet. 図10は、入れ子圧力容器構成時のガス圧送流の例示的概略図を提供し、粗引ポンプは、外側(より大型の)圧力容器の内側の内側(より小型の)圧力容器の内側に位置し、それによって、粗引ポンプは、異なる圧力(例えば、大気圧)において動作し得る。FIG. 10 provides an example schematic diagram of gas pumping flow in a nested pressure vessel configuration, where the roughing pump is located inside an inner (smaller) pressure vessel inside an outer (larger) pressure vessel, whereby the roughing pumps can operate at different pressures (e.g., atmospheric pressure). 図11は、プラズマチャンバに入射するマイクロ波を変調する(ファラデーカップを用いて測定される)変調マグネトロンからのパルスビームの実施例を示す。FIG. 11 shows an example of a pulsed beam from a modulating magnetron modulating the microwaves entering the plasma chamber (as measured using a Faraday cup). 図12Aは、直接注入高勾配加速器内のビーム軌道のシミュレーションの実施例を示す。70mA重水素、300keV加速器、39kV抽出。結果として生じるビームは、概して、より低いエミッタンスを有するが、より大きい発散を有する。図12Bは、低勾配加速器の前のドリフト長および静電抑制ならびにドリフト領域を伴う同一のビームのシミュレーションの実施例を示す。70mA重水素、300keV加速器、39kV抽出。結果として生じるビームは、より大きいエミッタンスを有するが、より低い発散を有する。FIG. 12A shows an example of a simulation of the beam trajectory in a direct injection high gradient accelerator. 70 mA deuterium, 300 keV accelerator, 39 kV extraction. The resulting beam generally has a lower emittance but a larger divergence. FIG. 12B shows an example of a simulation of the same beam with drift length and electrostatic suppression and drift region before a low gradient accelerator. 70 mA deuterium, 300 keV accelerator, 39 kV extraction. The resulting beam generally has a lower emittance but a lower divergence. 図13は、例示的な能動的に冷却された水の抵抗器システムを示す。FIG. 13 illustrates an exemplary actively cooled water resistor system. 図14は、レンズ設計ソフトウェアアプリケーションのための例示的ユーザインターフェースを示す。FIG. 14 shows an exemplary user interface for a lens design software application. 図15は、PBGUNSからのサンプルビーム軌道プロットを示す。FIG. 15 shows a sample beam trajectory plot from PBGUNS. 図16は、電子抑制要素の電気的分離および整合のための精密セラミックボールの例示的使用を示す。FIG. 16 illustrates an exemplary use of precision ceramic balls for electrical isolation and alignment of electronic restraining elements. 図17は、乱流誘発構造を特徴とする液体冷却固体標的の一実施形態を示し、それは、平滑表面を中断するためのくぼんだ穴を伴う複数の並列フィンを備えている。左パネルは、上面図を示す。右パネルは、識別された断面の平面を伴う断面図を示す。17 shows an embodiment of a liquid-cooled solid target featuring turbulence-inducing structures, including multiple parallel fins with recessed holes to interrupt a smooth surface. The left panel shows a top view. The right panel shows a cross-sectional view with the cross-sectional plane identified. 図18は、固体標的の流体冷却チャネル内の乱流を誘発する不規則な特徴の実施例を示す。FIG. 18 shows an example of irregular features that induce turbulence in the fluid cooling channels of a solid target. 図19は、時間の関数としてチタンめっき標的からの中性子収率のグラフを示す。FIG. 19 shows a graph of neutron yield from a titanium plated target as a function of time. 図20は、標的開口を通したイオンビームの集束および/または操向のためのシステムの例示的構成を示す。FIG. 20 illustrates an example configuration of a system for focusing and/or steering an ion beam through a target aperture. 図21は、逆ガス流噴射の概略図を示す。FIG. 21 shows a schematic diagram of reverse gas flow injection. 図22は、例示的ビームスクレーパ構成を示す。FIG. 22 shows an example beam scraper configuration. 図23は、電気的に分離された高エネルギーイオンビーム発生器とユーザ制御ステーションとの間の通信のための例示的光ファイバインターロック配列を示す。FIG. 23 illustrates an exemplary fiber optic interlock arrangement for communication between an electrically isolated high energy ion beam generator and a user control station. 図24は、熱中性子ラジオグラフィ用途のための減速材、コリメータ、および撮像エンクロージャの概略図を示す。FIG. 24 shows a schematic diagram of a moderator, collimator, and imaging enclosure for thermal neutron radiography applications.

加速器システムの例示的構成要素が、以下の節、すなわち、I.イオン源、II.インフラストラクチャ、III.高電圧システム、IV.標的を生成する中性子、V.自動制御システム、VI.診断、およびVII.加速器システムのための使用で、より詳細に説明される。 Exemplary components of the accelerator system are described in more detail in the following sections: I. Ion Source, II. Infrastructure, III. High Voltage System, IV. Neutron Generating Target, V. Automatic Control System, VI. Diagnostics, and VII. Uses for the Accelerator System.

(I.イオン源)
本明細書で提供されるイオン源は、プラズマチャンバマイクロ波導波路フィードと、動作パラメータ最適化技法と、源磁石搭載機構と、水冷ビームライン構成要素を製造するためのろう付けの使用とを含む、いくつかの構成要素を含む。これらの改良の各々が、順に議論されるであろう。
I. ION SOURCE
The ion source provided herein includes several components, including a plasma chamber microwave waveguide feed, operational parameter optimization techniques, a source magnet mounting mechanism, and the use of brazing to fabricate water-cooled beamline components. Each of these improvements will be discussed in turn.

(A.「逆」導波路)
電磁波源(例えば、マイクロ波源)と(例えば、より大型の加速器システムの一部としての)プラズマチャンバとの間に位置付けられたとき、電子の逆流を防止することに役立つ、逆インピーダンス整合構成要素(例えば、階段状隆起が、外部構造に組み込まれるのではなく導波路の中心に搭載されるという意味で逆転される)を含む、導波路が、本明細書で提供される。逆インピーダンス整合構成要素は、逆構成要素が、ある実施形態では、導波路の中央平面からより広い壁に向かって次第に外向きに延びている(図4)ため、概して、従来の従来技術インピーダンス整合技法に対して「逆」または「裏返し」と見なされる。ある実施形態では、逆導波路は、a)i)電磁波入射点を備えている近位端と、ii)電磁波出射点を備えている遠位端と、iii)近位端と遠位端との間に延び、電磁波を伝搬するように構成された外壁とを備えている、導波路と、b)導波路構成要素の内側に位置している逆インピーダンス整合構成要素とを備えている、デバイスを備え、逆インピーダンス整合構成要素は、導波路の遠位端から導波路の近位端に向かって少なくとも途中まで延び、逆インピーダンス整合構成要素は、遠位端と近位端とを備え、インピーダンス整合構成要素の遠位端は、導波路の遠位端またはその近傍に位置し、逆インピーダンス整合構成要素の近位端よりも大きい断面積を有する。
A. "Inverse" Waveguides
Provided herein are waveguides that include inverse impedance matching components (e.g., inverted in the sense that the step ridges are mounted in the center of the waveguide rather than built into the external structure) that help prevent backflow of electrons when positioned between an electromagnetic wave source (e.g., a microwave source) and a plasma chamber (e.g., as part of a larger accelerator system). The inverse impedance matching components are generally considered to be "inverse" or "inside out" with respect to conventional prior art impedance matching techniques because, in one embodiment, the inverse components extend gradually outward from the midplane of the waveguide toward the wider walls (FIG. 4). In an embodiment, the reverse waveguide comprises a device comprising: a) a waveguide having i) a proximal end having an electromagnetic wave entry point, ii) a distal end having an electromagnetic wave exit point, and iii) an outer wall extending between the proximal and distal ends and configured to propagate electromagnetic waves; and b) an inverse impedance matching component located inside the waveguide component, wherein the inverse impedance matching component extends from the distal end of the waveguide at least part way towards the proximal end of the waveguide, the inverse impedance matching component having a distal end and a proximal end, the distal end of the impedance matching component being located at or near the distal end of the waveguide and having a larger cross-sectional area than the proximal end of the inverse impedance matching component.

マイクロ波イオン源では、プラズマチャンバは、所望のガス(例えば、水素、重水素等)、磁場、およびマイクロ波電力を供給される。マイクロ波は、ビーム出射開口の反対の端部においてチャンバに入射する導波路を通して、プラズマチャンバに送達される。磁場は、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件が、ビーム出射開口の近傍で満たされる、すなわち、その場所における電子サイクロトロン周波数が、印加されたマイクロ波の周波数に合致するように、成形される。例えば、


であり、式中、qは、電子電荷であり、Bは、磁束密度であり、mは、電子の質量である。
In a microwave ion source, a plasma chamber is supplied with the desired gas (e.g., hydrogen, deuterium, etc.), a magnetic field, and microwave power. The microwaves are delivered to the plasma chamber through a waveguide that enters the chamber at the end opposite the beam exit aperture. The magnetic field is shaped so that the electron cyclotron resonance (ECR) condition is satisfied in the vicinity of the beam exit aperture, i.e., the electron cyclotron frequency at that location matches the frequency of the applied microwaves. For example,


where q is the electron charge, B is the magnetic flux density, and m is the mass of the electron.

磁場幾何学形状に起因して、マイクロ波電力はまた、プラズマチャンバに到達する前に、導波路内のECR領域に吸収され得る。これは、真空下で導波路を保ち、セラミックディスクを使用して、それをプラズマチャンバ内のガスから分離することによって、防止される。当技術分野では、導波路は、導波路と源チャンバ内のプラズマとの間のインピーダンス不整合を低減させるように設計される、セラミックディスクにおいてそれらの最大限に達するためにガイドの広い面から範囲が増加する一対の階段状隆起の形態で、インピーダンス変換のための機構を含んでもよい(図3参照)。 Due to the magnetic field geometry, microwave power may also be absorbed in the ECR region within the waveguide before reaching the plasma chamber. This is prevented by keeping the waveguide under vacuum and isolating it from the gas in the plasma chamber using a ceramic disk. In the art, the waveguide may include a mechanism for impedance transformation in the form of a pair of stepped ridges that increase in extent from the broad face of the guide to reach their maximum at the ceramic disk, designed to reduce the impedance mismatch between the waveguide and the plasma in the source chamber (see Figure 3).

背景として、加速器システムの抽出および加速領域中で作成される電子は、イオンビーム出射開口を通してイオン源プラズマチャンバに入射し、高いエネルギーでプラズマチャンバの反対端においてセラミック絶縁体に衝突することができる。これらの電子が絶縁体を通して穴を焼いて開ける場合、プラズマ内の作業ガスは、導波路に流入することができ、そこで、マイクロ波を吸収し、本領域中でプラズマ形成をもたらし得る。これは、イオン源プラズマを駆動するために利用可能なマイクロ波電力を削減し、イオン源の安定性に影響を及ぼし、最大抽出可能ビーム電流を低下させる。セラミックの穴が十分に大きくなる場合、導波路の過熱はまた、その構成要素を損傷し、全体的なシステムの信頼性および寿命に影響を及ぼし得る。 By way of background, electrons created in the extraction and acceleration region of the accelerator system can enter the ion source plasma chamber through the ion beam exit aperture and strike the ceramic insulator at the opposite end of the plasma chamber with high energy. If these electrons burn holes through the insulator, the working gas in the plasma can flow into the waveguide where it can absorb microwaves and result in plasma formation in this region. This reduces the microwave power available to drive the ion source plasma, affecting the stability of the ion source and lowering the maximum extractable beam current. If the holes in the ceramic become large enough, overheating of the waveguide can also damage its components and affect the overall system reliability and lifespan.

本明細書に説明される(例えば、図4)逆導波路は、セラミックディスクを穿孔し得る、逆流電子をさえぎるように設計され、これは、別様に導波路内のプラズマ形成につながり、マイクロ波電力の損失に起因して、源チャンバ内のプラズマ密度およびビーム電流を低減させる一方で、おそらく、過剰な加熱に起因して、導波路を損傷するであろう。ある実施形態では、電子が、ディスクを損傷することによってそれを損傷せず、意図的にインピーダンス整合構成要素に直接影響を及ぼすように、穴が、セラミックディスクの中に提供される。 The reverse waveguide described herein (e.g., FIG. 4) is designed to intercept backflowing electrons that may perforate the ceramic disk, which would otherwise lead to plasma formation in the waveguide, reducing the plasma density and beam current in the source chamber due to loss of microwave power, while possibly damaging the waveguide due to excessive heating. In certain embodiments, holes are provided in the ceramic disk so that the electrons do not damage the disk by damaging it, but instead intentionally affect the impedance matching component directly.

したがって、いくつかの実施形態では、プラズマチャンバの中へマイクロ波電力を効率的に結合しながら、損傷することなく逆流電子をさえぎるように位置する、逆インピーダンス整合構成要素(例えば、水冷金属表面)が、本明細書で提供される。導波路段階隆起の公知の設計は、図3に示されるように、それらが外側導波路壁に電気的かつ機械的に取り付けられ、その広い面の中心からガイドの中へ対称的に延び、ガイドの幅の一部にわたって延びているという点で、従来的である。導波路内の電場の配向および対称性に起因して、ある実施形態では、図4に図示されるように、隆起の間で中央平面に沿ってそれを半分に分割し、中央平面を横断して2つの半分を転置することが可能である。本対称性は、隆起の各段階において適用され、階段状設計の電気的性能を維持し、導波路のインピーダンスをプラズマチャンバに合致させる。他のアプローチも、導波路内のインピーダンス整合構成要素の典型的配向を逆転させるために使用され得る。 Thus, in some embodiments, provided herein is an inverse impedance matching component (e.g., a water-cooled metal surface) positioned to efficiently couple microwave power into the plasma chamber while intercepting backflow electrons without damage. Known designs of waveguide step ridges are conventional in that they are electrically and mechanically attached to the outer waveguide wall and extend symmetrically from the center of its broad face into the guide, spanning a portion of the width of the guide, as shown in FIG. 3. Due to the orientation and symmetry of the electric field within the waveguide, in some embodiments it is possible to split it in half along the mid-plane between the ridges and transpose the two halves across the mid-plane, as illustrated in FIG. 4. This symmetry is applied at each step of the ridges, maintaining the electrical performance of the stepped design and matching the impedance of the waveguide to the plasma chamber. Other approaches may also be used to reverse the typical orientation of the impedance matching components within the waveguide.

本明細書で提供される、結果として生じる逆型設計は、低電場領域中にあるため、マイクロ波伝搬を摂動しない、支持構成要素によって、チャンバの側面から支持される、プラズマチャンバの軸上の逆流電子の経路内で実質的な金属塊(図4Bの最右部分である大きい断面積を参照)を提供する。これらの支持構成要素(例えば、脚部)は、例えば、低電力用途のための固体金属であり得る、または例えば、示されるような離散段階の形態であり得る、もしくは平滑にテーパ化する形状の形態をとり得る、インピーダンス整合構成要素を水冷するための中空管であり得る。 The resulting inverted design provided herein provides a substantial metal mass (see large cross-sectional area, rightmost portion of FIG. 4B) in the path of the backflowing electrons on the axis of the plasma chamber, supported from the sides of the chamber by support components that are in a low electric field region and therefore do not perturb microwave propagation. These support components (e.g., legs) can be, for example, solid metal for low power applications, or hollow tubes for water cooling impedance matching components, which can be, for example, in the form of discrete steps as shown, or in the form of smoothly tapered shapes.

ある実施形態では、一方の支持脚部によるプラズマチャンバから離れたマイクロ波電力の反射が、他方の支持脚部によって反射される電力によって大部分が打ち消され、第2の反射が等しい波規模および反対の波相を有するように、分離を伴って、支持脚部の2つのセットが、図4Aに示されるように使用される。代替として、いくつかの実施形態では、反射規模が低電力用途において重要ではない場合、単一の支持脚部が、使用され得る。 In some embodiments, two sets of support legs are used as shown in FIG. 4A, with separation so that reflection of microwave power away from the plasma chamber by one support leg is largely cancelled by the power reflected by the other support leg, with the second reflection having equal wave magnitude and opposite wave phase. Alternatively, in some embodiments, where reflection magnitude is not important in low power applications, a single support leg may be used.

ある実施形態では、逆流電子が入射するインピーダンス整合構成要素の面は、必要に応じて、高電力用途のための耐熱金属挿入物を装備される、または低電力用途においてより低い融点の高熱伝導率金属として残され得る。 In some embodiments, the face of the impedance matching component on which the backflow electrons are incident can be equipped with a refractory metal insert for high power applications, or left as a lower melting point, high thermal conductivity metal in low power applications, as desired.

従来技術では、インピーダンス整合構成要素(例えば、金属段階(段階隆起)の2つのセットから成り得る)の各々は、その各半分が導波路の狭い寸法の半分によって内向きに平行移動させられる、そのより狭い寸法の方向へ導波路のより広い面から内向きに延びている(図3)。 In the prior art, each of the impedance matching components (which may consist, for example, of two sets of metal steps (step ridges)) extends inward from the wider face of the waveguide in the direction of its narrower dimension, with each half of the half being translated inward by half of the narrow dimension of the waveguide (Figure 3).

(B.動作パラメータ最適化)
ある実施形態では、本明細書に説明される加速器システムまたはサブシステムは、性能を改良するように最適化される。一般に、加速器システムは、多数の結合された非線形サブシステムから成る。これらは、限定されないが、イオン源磁石位置および電流と、イオン源マイクロ波電力と、イオン源ガス流と、ビーム抽出電圧と、加速器電圧と、集束ソレノイド電流と、操向磁石電流と、ガス標的圧力とを含む。システム全体は、概して、複雑すぎるため、先験的に直接モデル化または予測することができない。加えて、システムの個々のインスタンスの間のわずかな差異、例えば、ビームラインの整合は、システム性能に大きな影響を及ぼし得、予測モデルに組み込むことが困難である。したがって、最終システム最適化は、通常、経験的結果に依拠する。本プロセスは、概して、システムのピーク性能を取得するために熟練した経験豊富なオペレータを要求し、オペレータエラーに起因する構成要素の損傷の危険性を伴う。本開示の実施形態は、最適化のための自動および部分的自動プロセスを提供することによって、これらの問題に対処する。
(B. Operational Parameter Optimization)
In an embodiment, the accelerator system or subsystem described herein is optimized to improve performance. In general, an accelerator system consists of a number of coupled nonlinear subsystems. These include, but are not limited to, ion source magnet position and current, ion source microwave power, ion source gas flow, beam extraction voltage, accelerator voltage, focusing solenoid current, steering magnet current, and gas target pressure. The entire system is generally too complex to be directly modeled or predicted a priori. In addition, slight differences between individual instances of the system, such as beamline alignment, can have a large impact on system performance and are difficult to incorporate into predictive models. Thus, final system optimization usually relies on empirical results. This process generally requires a skilled and experienced operator to obtain peak performance of the system, with the risk of component damage due to operator error. An embodiment of the present disclosure addresses these issues by providing an automatic and partially automatic process for optimization.

システムの最終最適化のための自動プロセスは、損傷の危険性を最小化し、熟練したオペレータの必要性を排除しながら、再現可能な性能を提供する。ある実施形態では、加速器システムまたはサブシステムは、限定されないが、システムの状態を自動的に査定し、本最適化プロセス中に構成要素を損傷し得る状態でシステムが動作することを防止する、熱電対、カメラ、ならびに電圧および電流モニタを含む、1つ以上の保護/監視構成要素を含んでもよい。図5は、イオン源質量流量計および圧力計と、イオン源熱電対および冷却剤流量計と、集束ソレノイド熱電対、冷却剤流量計、電圧モニタ、および電流モニタと、開口カメラ、熱電対、および冷却剤流量計と、標的カメラ、熱電対、冷却剤流量計、および放射線検出器と、抽出および抑制圧力計、熱電対、電流モニタ、ならびに電圧モニタと、電流モニタおよびエミッタンススキャナ等のビーム診断構成要素と、圧力計と、ガス分析器とを含む、例示的保護および監視構成要素を提供する。 An automated process for the final optimization of the system provides repeatable performance while minimizing the risk of damage and eliminating the need for a skilled operator. In an embodiment, the accelerator system or subsystem may include one or more protection/monitoring components, including, but not limited to, thermocouples, cameras, and voltage and current monitors, that automatically assess the state of the system and prevent it from operating in conditions that may damage the components during the optimization process. FIG. 5 provides exemplary protection and monitoring components, including ion source mass flow meters and pressure gauges, ion source thermocouples and coolant flow meters, focusing solenoid thermocouples, coolant flow meters, voltage monitors, and current monitors, aperture cameras, thermocouples, and coolant flow meters, target cameras, thermocouples, coolant flow meters, and radiation detectors, extraction and suppression pressure gauges, thermocouples, current monitors, and voltage monitors, beam diagnostic components such as current monitors and emittance scanners, pressure gauges, and gas analyzers.

ある実施形態では、これらの監視構成要素は、監視された加速器システム構成要素への自動調節を可能にする、中央コンピュータ起動制御ソフトウェアと通信する。例えば、本プロセス中に、1つ以上のシステムパラメータは、関連システム出力が監視されている間に、自動的に制御および調節される。これは、個々のシステムの動作相空間がマップされることを可能にする。そのようなマップは、最も安定した動作点がシステムの範囲全体にわたって見出されることを可能にする。いったんマップされると、制御システムは、熟練したオペレータを必要とすることなく、閉ループPID(比例・積分・微分)アルゴリズムを自動的に使用し、必要に応じてこれらの安定した動作点に戻ることができる。監視構成要素からのフィードバックを中央コンピュータシステムに提供し、加速器システムの部品が種々の構成要素を損傷し得る条件で動作することを防止する、コンピュータ実装制御論理の一実施例が、図6に示される。 In an embodiment, these monitoring components communicate with a central computer-driven control software that allows for automatic adjustments to the monitored accelerator system components. For example, during this process, one or more system parameters are automatically controlled and adjusted while the associated system outputs are monitored. This allows the operating phase space of the individual systems to be mapped. Such a map allows the most stable operating points to be found throughout the range of the system. Once mapped, the control system can automatically use a closed loop PID (proportional-integral-derivative) algorithm to return to these stable operating points as needed, without the need for a skilled operator. One example of computer-implemented control logic that provides feedback from the monitoring components to a central computer system and prevents parts of the accelerator system from operating in conditions that may damage various components is shown in FIG. 6.

いくつかの実施形態では、イオン源サブシステムは、監視構成要素を用いて監視される。最初に、監視構成要素を実装することに先立って、ビーム電流等の性能メトリックが記録されている間に、イオン源磁石位置および電流、イオン源マイクロ波電力、イオン源ガス流、ならびに抽出電圧等の各パラメータが、手動で個別に調節された。これは、動作相空間の限定されたマッピングをもたらした。本手動プロセスは、時間がかかり、動作空間の小さいサブセットのみが、妥当な周期で追求されることができた。手動方法はまた、特に、自動健全性監視およびインターロックシステムが実装されていないとき、構成要素を損傷する傾向がある。これらの限界に対処し始めるために、アルゴリズム(図6のもの等)が、図7に示される実施例によって図示されるように、そのような手動最適化行程中に収集されるデータを後処理して取り出し、動作相空間をマップするために開発された。本部分的自動化は、プロセスの効率および再現性を改良したが、システムが動作している間にリアルタイム結果を可能にしない。ある実施形態では、所与の設定値における長期動作を追跡し、長期安定性統計を収集するために採用される、監視構成要素もまた、最も安定した動作点を定量的に決定するためにシステムに組み込まれることができる。 In some embodiments, the ion source subsystem is monitored using a monitoring component. Initially, prior to implementing the monitoring component, each parameter, such as the ion source magnet position and current, ion source microwave power, ion source gas flow, and extraction voltage, was manually and individually adjusted while performance metrics such as beam current were recorded. This resulted in a limited mapping of the operating phase space. This manual process was time consuming and only a small subset of the operating space could be pursued at a reasonable period. Manual methods are also prone to damaging components, especially when an automatic health monitoring and interlock system is not implemented. To begin to address these limitations, algorithms (such as those in FIG. 6 ) were developed to post-process data collected during such manual optimization runs and map the operating phase space, as illustrated by the example shown in FIG. 7 . This partial automation improved the efficiency and repeatability of the process, but does not allow for real-time results while the system is operating. In some embodiments, a monitoring component, employed to track long-term operation at a given set point and collect long-term stability statistics, can also be incorporated into the system to quantitatively determine the most stable operating point.

(C.磁石集中/搭載)
イオン源における精密な磁場プロファイルが、プラズマの中へマイクロ波電力を適切に結合するための重要な因子であるため、イオン源磁石のわずかな物理的移動は、源性能の大きな変化を引き起こし得る。したがって、試験および最適化のために要求される通りに、これらの磁石の場所を調節および固定するため、ならびにシステムによる微妙な変動を考慮するための調節システムおよび構成要素が、本明細書で提供される。イオン源プラズマチャンバを包囲するソレノイド磁石を調節および固定するための調節システムの一例示的実施形態が、図8に示される。本実施形態では、各イオン源ソレノイド磁石は、磁石を1つ以上の取り付け構成要素(例えば、ねじ山付き金属特徴)に堅く結合するために使用される、エポキシに包み込まれる。磁石は、イオン源領域中で磁場を集中させ、任意の外部磁場からイオン源を遮蔽する、強磁性エンクロージャの内側に位置する。強磁性エンクロージャは、その側面に沿ってスロットを有し、エンクロージャの外側から各磁石アセンブリのねじ山付き金属特徴へのボルトの取り付けを可能にする。源軸の軸に沿った各磁石の場所は、したがって、スロットに沿ってボルトを移動させることによって調節され、エンクロージャに対してボルトを緊締することによって定位置で固定されることができる。したがって、定位置でイオン源ソレノイド磁石の位置付けおよび固定の両方を行うための信頼性のある比較的低費用の方法およびシステムが、本明細書で提供される。
(C. Magnet concentration/installation)
Since a precise magnetic field profile in the ion source is a critical factor for proper coupling of microwave power into the plasma, small physical movements of the ion source magnets can cause large changes in source performance. Therefore, adjustment systems and components are provided herein to adjust and fix the location of these magnets as required for testing and optimization, as well as to account for subtle variations due to the system. An exemplary embodiment of an adjustment system for adjusting and fixing the solenoid magnets surrounding the ion source plasma chamber is shown in FIG. 8. In this embodiment, each ion source solenoid magnet is fixed to a magnet by a single The magnet is encapsulated in an epoxy that is used to tightly attach to one or more mounting components (e.g., threaded metal features). The magnet focuses the magnetic field in the ion source region and insulates the ion source from any external magnetic fields. The magnet assemblies are located inside a ferromagnetic enclosure that shields the magnets from the magnetic field. The ferromagnetic enclosure has slots along its sides to allow for the attachment of bolts from outside the enclosure to threaded metal features on each magnet assembly. . The location of each magnet along the axis of the source shaft can thus be adjusted by moving the bolt along the slot and fixed in position by tightening the bolt against the enclosure. Provided herein is a reliable and relatively low cost method and system for both positioning and fixing an ion source solenoid magnet in a fixed position.

(D.ろう付けおよび水冷)
ある実施形態では、加速器システムの中に位置付けられているとき、高エネルギーイオンビームを部分的にさえぎる、金属アセンブリ(例えば、低コンダクタンス金属から成る)が、本明細書で提供され、金属アセンブリは、i)少なくとも1つの水冷チャネルと、ii)第1の金属構成要素、第2の金属構成要素、および充填金属とを備え、該充填金属は、継手(例えば、ろう付け継手)において該第1の金属構成要素を該第2の金属構成要素に取り付ける。
D. Brazing and Water Cooling
In an embodiment, provided herein is a metal assembly (e.g., comprised of a low conductance metal) that partially blocks a high-energy ion beam when positioned in an accelerator system, the metal assembly comprising: i) at least one water-cooled channel; and ii) a first metal component, a second metal component, and a filler metal that attaches the first metal component to the second metal component at a joint (e.g., a brazed joint).

(例えば、ガス状標的を伴う)構成では、真空システムを横断する大きい圧力差が、標的からビームラインまでのガス流を限定する、低コンダクタンス金属開口によって維持される。イオンビームの縁領域中の高エネルギーイオンは、開口上に大量のエネルギーを堆積させ、これは、過剰な加熱および恒久的損傷につながり得る。 In configurations (e.g., with gaseous targets), a large pressure differential across the vacuum system is maintained by a low-conductance metal aperture that limits gas flow from the target to the beamline. High-energy ions in the edge regions of the ion beam deposit a large amount of energy on the aperture, which can lead to excessive heating and permanent damage.

図9Aは、ともにろう付けされる部品を伴う例示的差動管アセンブリを示す。図9Aは、以下の部品、すなわち、差動管板(1)、第1の差動管(2)、第2の差動管(3)、ターボシャドウ(4)、開口管キャップ(5)、一対の開口管ロッド(6)、および複数の板栓(7)を示す。図9Bは、その中に位置する水チャネルを示す、例示的差動管板の透視図を示す。図9Cは、例示的差動管板の斜視図を示す。 Figure 9A shows an example differential tube assembly with the parts brazed together. Figure 9A shows the following parts: differential tube sheet (1), first differential tube (2), second differential tube (3), turbo shadow (4), open tube cap (5), a pair of open tube rods (6), and multiple plate plugs (7). Figure 9B shows a perspective view of an example differential tube sheet showing the water channels located therein. Figure 9C shows a perspective view of an example differential tube sheet.

本明細書に開示される実施形態の開発中に行われた研究は、ビームを部分的にさえぎり得る金属部品から熱を除去するための効率的な方法として、水冷を識別した。ビームの高電力密度、およびビームならびにこれらの構成要素が存在する真空環境に起因して、特別な考慮事項が、水冷を実装するときに考慮されなければならない。 Studies conducted during the development of the embodiments disclosed herein identified water cooling as an efficient method for removing heat from metal components that may partially obstruct the beam. Due to the high power density of the beam and the vacuum environment in which the beam and these components reside, special considerations must be taken into account when implementing water cooling.

システムの信頼性は、高度に熱伝導性の金属(例えば、銅、アルミニウム)を使用し、ビームによる影響を受け得る構成要素を加工することによって、および水冷チャネルをこれらの部品に追加し、それらが融解することを防止することによって、有意に改良することが見出されている。これらの構成要素は、多くの場合、複雑な形状を有する必要がなく、高度に熱伝導性の材料は、溶接することが困難であるため、ろう付けが、水が流入するための空間を残しながら、部品をともに継合するための最良の方法であること決定されている。これは、水チャネル形状が複雑になり、全ての重要面積に到達することを可能にするだけではなく、ベース金属の高い熱伝導率を維持する、強力な全貫通継手も作成する。いくつかの他の技法よりも高価であるが、これは、真空内にある水冷部品にとって非常に問題である、水漏出に対して高い信頼性を提供する。 The reliability of the system has been found to improve significantly by using highly thermally conductive metals (e.g., copper, aluminum) and machining the components that may be affected by the beam, and by adding water cooling channels to these parts to prevent them from melting. Because these components often do not need to have complex geometries, and highly thermally conductive materials are difficult to weld, it has been determined that brazing is the best way to join the parts together while leaving space for water to flow in. This not only allows the water channel geometry to be complex and reach all critical areas, but also creates a strong, full through joint that maintains the high thermal conductivity of the base metal. While more expensive than some other techniques, this provides high reliability against water leakage, which is very problematic for water-cooled parts that are in a vacuum.

最初に、本明細書に説明される実施形態の開発中に行われた研究では、これらの構成要素は、銅、タングステン、アルミニウム、またはステンレス鋼から作製されたが、冷却がなかったため、たとえビームの縁のみをさえぎったとしても、長い期間にわたって存続しなかったことを留意されたい。水冷チャネルが、後に追加され、NPT栓で密閉されたが、温度がポリマーを分解するために十分に高かったため、ねじ山シーラントは、高真空環境の中への漏出を防止することに効果的ではなかった。Oリングは、高温に関する類似問題を有する。(例えば、水チャネルを作成するように掘削された穴を充填するために)定位置に金属栓をろう付けすることが、優れた解決策である。ある実施形態では、水チャネルではなく、またはそれに加えて、熱パイプが、廃熱を除去するために採用される。特定の実施形態では、真空ポンプ等の他の高価な機器を損傷し得る、より少ない漏出が存在し得るため、全体的な加速器システムの信頼性は、水冷チャネルを伴うろう付けアセンブリを使用することによって改良される。 First, note that in studies conducted during the development of the embodiments described herein, these components were made from copper, tungsten, aluminum, or stainless steel, but did not survive for long periods of time because there was no cooling, even if they only blocked the edges of the beam. Water-cooled channels were later added and sealed with NPT plugs, but the thread sealant was not effective in preventing leakage into the high vacuum environment because the temperature was high enough to decompose the polymer. O-rings have similar problems with high temperatures. Brazing metal plugs in place (e.g., to fill holes drilled to create water channels) is a good solution. In some embodiments, heat pipes are employed to remove waste heat rather than or in addition to water channels. In certain embodiments, the reliability of the overall accelerator system is improved by using brazed assemblies with water-cooled channels, since there may be fewer leaks that could damage other expensive equipment, such as vacuum pumps.

(II.イオン源インフラストラクチャ)
ある実施形態では、イオン源インフラストラクチャは、その改良された挙動に寄与する、いくつかの改良を有する。これらは、例えば、高電圧における真空ポンプの実装、高電圧におけるある構成要素の動作のための入れ子式圧力容器、および高電圧における構成要素への電力伝送のためのVベルトの使用を含む。これらの改良の各々が、順に議論されるであろう。
II. Ion Source Infrastructure
In certain embodiments, the ion source infrastructure has several improvements that contribute to its improved behavior. These include, for example, the implementation of vacuum pumps at high voltages, nested pressure vessels for operation of certain components at high voltages, and the use of V-belts for power transmission to components at high voltages. Each of these improvements will be discussed in turn.

(A.高電圧における真空ポンプ)
プラズマチャンバの中へ送給されるガスの一部は、マイクロ波によってイオン化されず、強力な電場が印加される、抽出および加速領域の中へ偏流する。中性ガスの存在は、通常、高電圧アークの可能性を増加させ、これは、システムの動作を妨害し、高電圧電力供給源において故障状態を誘起し、ビームライン構成要素の寿命を低下させ得る。さらに、ビーム中のイオンは、ビーム品質を劣化させる、またはイオン電流を低減させる、散乱または電荷交換事象等の背景中性ガスを用いた原子および分子プロセスを受けることができる。
A. Vacuum Pumps at High Voltage
A portion of the gas delivered into the plasma chamber is not ionized by the microwaves and drifts into the extraction and acceleration regions where a strong electric field is applied. The presence of neutral gas usually increases the likelihood of high voltage arcing, which can disrupt the operation of the system, induce fault conditions in the high voltage power supplies, and reduce the life of beamline components. Furthermore, ions in the beam can undergo atomic and molecular processes with the background neutral gas, such as scattering or charge exchange events, that degrade the beam quality or reduce the ion current.

これらの問題を踏まえて、抽出領域からの非イオン化ガスの除去を可能にするシステムおよび方法が、本明細書で提供される。ある実施形態では、イオン源領域は、高電圧ドームの内側で、イオン源の直接上に第1の真空ポンプ(例えば、小型ターボ分子真空ポンプ)を搭載することを可能にし、プラズマ源から抽出領域に進入するガスを除去するように設計される。しかしながら、真空ポンプからの排気は、イオン源が常駐する、高圧力絶縁ガス充填エンクロージャの中へ放出されることができない。本二次問題を解決するために、真空ポンプ排気は、第2の真空ポンプ(例えば、小型粗引ポンプ)を用いてより高い圧力に圧縮され、次いで、高電圧端と接地との間に延びている絶縁ホースの中へ通過される。ある実施形態では、絶縁ホースは、その電圧破壊定格を増加させるように、螺旋形状で巻装される。接地端では、ガスは、通常の真空ポンプシステムのように大気に放出される。高電圧を横断して排気ガスを圧送することは、一般的ではなく、解決策は、実装の困難に起因して反直感的であるが、絶縁ガス充填エンクロージャを使用するとき、抽出および加速領域からのガスの除去を可能にする。イオン源領域の直接上で圧送することは、プラズマ源から漏出ガスの大部分を除去し、抽出領域中の圧力を低減させる。これは、使用され得る最大電圧を増加させ、アークを低減させ、長期信頼性を増加させ、より良好なビーム品質を可能にする。これはまた、ガス流要件にかかわらず、イオン源領域が設計されることを可能にし、設計柔軟性を増加させる。 In light of these problems, systems and methods are provided herein that allow for the removal of non-ionized gas from the extraction region. In an embodiment, the ion source region is designed to allow for a first vacuum pump (e.g., a small turbomolecular vacuum pump) to be mounted inside the high voltage dome, directly above the ion source, to remove gas entering the extraction region from the plasma source. However, the exhaust from the vacuum pump cannot be vented into the high pressure insulating gas-filled enclosure in which the ion source resides. To solve this secondary problem, the vacuum pump exhaust is compressed to a higher pressure using a second vacuum pump (e.g., a small roughing pump) and then passed into an insulating hose that extends between the high voltage end and ground. In an embodiment, the insulating hose is wound in a helical shape to increase its voltage breakdown rating. At the ground end, the gas is vented to the atmosphere as in a normal vacuum pump system. Pumping exhaust gas across a high voltage is uncommon and the solution is counter-intuitive due to the difficulty of implementation, but when using an insulating gas-filled enclosure, it allows for the removal of gas from the extraction and acceleration region. Pumping directly over the ion source region removes most of the leakage gas from the plasma source and reduces the pressure in the extraction region. This increases the maximum voltage that can be used, reduces arcing, increases long term reliability and allows for better beam quality. This also allows the ion source region to be designed regardless of gas flow requirements, increasing design flexibility.

従来技術設計は、加速器の接地端における真空ポンプを使用したが、ガスは、通常、高電圧で保持される、イオン源端において注入されることに留意されたい。その構成では、イオン源および加速器は、高ガス流を有し、ガスが加速器から逃散することを可能にするように、慎重に設計される必要があった。そのような設計を用いても、システムの基礎物理は、イオン源領域中で達成可能な真空レベルを限定し、使用され得る最大電圧を限定し、アーク周波数を増加させ、これは、安定性および長期動作に有害である。 Note that prior art designs used a vacuum pump at the grounded end of the accelerator, but gas is typically injected at the ion source end, which is held at a high voltage. In that configuration, the ion source and accelerator had to be carefully designed to have high gas flow and allow the gas to escape the accelerator. Even with such a design, the fundamental physics of the system limited the vacuum level achievable in the ion source region, limited the maximum voltage that could be used, and increased the arcing frequency, which is detrimental to stability and long-term operation.

(B.圧力容器内の圧力容器)
高電圧において保持される必要がある機器は、通常、破壊的で潜在的に損傷を与えるアーク放電事象を最小化するために、絶縁ガス充電圧力容器の内側の平滑な形状の高電圧ドームの中に封入される。しかしながら、いくつかの補助構成要素は、加圧環境では正しく動作することができない。したがって、高電圧における信頼性のある動作のために圧力容器の内側に位置する必要があるが、高圧力環境では動作することができない、構成要素(例えば、粗引ポンプ)が、公称大気圧まで加圧され、管を介してより大型の(外側)圧力容器の外部に接続される、より小型の(内側)圧力容器の中に設置される、解決策が、本明細書で提供される。
(B. Pressure vessel within a pressure vessel)
Equipment that needs to be sustained at high voltages is typically enclosed in a smooth-shaped high-voltage dome inside an insulating gas-charged pressure vessel to minimize disruptive and potentially damaging arcing events. However, some auxiliary components cannot operate properly in a pressurized environment. Thus, a solution is provided herein in which components that need to be located inside the pressure vessel for reliable operation at high voltages, but cannot operate in a high-pressure environment (e.g., roughing pumps), are installed in a smaller (inner) pressure vessel that is pressurized to nominal atmospheric pressure and connected to the exterior of the larger (outer) pressure vessel via tubing.

例えば、上記の節で説明されるように、粗引ポンプが、抽出領域からガスを除去するためにイオン源に追加されるターボ分子ポンプを支援するために、使用される。粗引ポンプは、より大型の(外側)圧力ポンプによって生成される加圧環境ではなく、大気圧において最良に機能する(例えば、図1のSF圧力容器を参照)。したがって、図10に示されるように、粗引ポンプが、異なる圧力(例えば、大気圧)において動作し得るように、外側(より大型の)圧力容器の内側の内側(より小型の)圧力容器の内側に位置する、入れ子圧力容器構成が、提供される。本開示の実施形態の開発中に行なわれた研究では、加圧環境内で粗引ポンプを動作させる試行が、ポンプの中へのガス漏出につながるため、ポンプが一層活発に稼働する必要があったことに留意されたい。また、内側圧力容器内で粗引ポンプを使用しないと、これは、ターボ分子ポンプを通して逆流し、真空システムを汚染するガスにつながり得る。 For example, as described in the above section, a roughing pump is used to assist a turbomolecular pump that is added to the ion source to remove gas from the extraction region. A roughing pump works best at atmospheric pressure rather than the pressurized environment created by a larger (outer) pressure pump (see, for example, the SF6 pressure vessel in FIG. 1). Thus, as shown in FIG. 10, a nested pressure vessel configuration is provided in which the roughing pump is located inside an inner (smaller) pressure vessel inside an outer (larger) pressure vessel so that it can operate at a different pressure (e.g., atmospheric pressure). It is noted that in studies conducted during the development of embodiments of the present disclosure, attempts to operate the roughing pump in a pressurized environment led to gas leaking into the pump, so the pump had to run more vigorously. Also, if a roughing pump is not used in the inner pressure vessel, this can lead to gas backflowing through the turbomolecular pump and contaminating the vacuum system.

(C.Vベルト)
高電圧において保持される構成要素のための電力は、接地から電気的に分離される様式で供給される必要がある。本エネルギーを提供するための従来技術は、絶縁シャフトまたはベルトによって駆動される絶縁変圧器および発生器を含んでいる。電力伝達用途のために生産されている殆どのベルトは、それらの中に埋め込まれた鋼ケーブル、ポリマーに追加される大量の炭素、または両方のいずれかを有する。これらの特徴の両方は、それらがベルトを効果的な電気導体にするため、それらが電圧分離要件を維持することを防止する。他のベルトは、容易に電気を伝導しないが、それらは、通常、弱すぎるため、大量の伝送された電力を取り扱うことができないか、または経時的により伝導性になり、ベルトの破壊および故障につながることが観察されているかのいずれかである。
(CV belt)
Power for components held at high voltages must be supplied in a manner that is electrically isolated from ground. Conventional techniques for providing this energy include isolating transformers and generators driven by insulated shafts or belts. Most belts produced for power transmission applications have either steel cables embedded within them, large amounts of carbon added to the polymer, or both. Both of these features prevent them from maintaining voltage isolation requirements because they make the belts effective electrical conductors. Other belts do not readily conduct electricity, but they are usually either too weak to handle large amounts of transmitted power, or have been observed to become more conductive over time, leading to belt destruction and failure.

a)高エネルギーイオンビームを発生させる加速器システムの中で高電圧において保持された少なくとも1つの高電圧構成要素と、b)少なくとも1つの高電圧構成要素に電気的に連結された電力構成要素であって、(例えば、接地から電気的に分離される様式で)電力を少なくとも1つの高電圧構成要素に提供する、電力構成要素とを備え、電力構成要素は、Vベルトを備え、Vベルトは、複数の区分(例えば、3・・25・・・100・・・400個の区分)を備え、i)不良な電気導体またはii)非電気導体である、システムを提供することによって、本問題の解決策が、本明細書で提供される。 A solution to this problem is provided herein by providing a system comprising: a) at least one high voltage component held at a high voltage in an accelerator system that generates a high energy ion beam; and b) a power component electrically coupled to the at least one high voltage component, providing power to the at least one high voltage component (e.g., in a manner that is electrically isolated from ground), the power component comprising a V-belt, the V-belt comprising a plurality of sections (e.g., 3...25...100...400 sections), and which is i) a poor electrical conductor or ii) a non-electrical conductor.

伝達される電力負荷を取り扱うこと、および必要な電気的分離を維持することの両方を行い得る、Vベルトが、識別されている。例えば、Fenner 電力TWIST等のセグメント型Vベルトが、電圧間隙を横断して大量の電力を正常に伝送することが見出された。 V-belts have been identified that can both handle the power load being transmitted and maintain the necessary electrical isolation. For example, segmented V-belts such as the Fenner Power TWIST have been found to successfully transmit large amounts of power across the voltage gap.

(III.高電圧システム)
種々の実施形態では、高電圧システムは、その改良された挙動に寄与する、いくつかの改良を有する。これらは、直接イオン注入、能動的冷却水抵抗器、理想的な静電レンズ設計プロセス、電子抑制要素の電気的分離および整合のための精密絶縁ボールの使用を含む。これらの改良の各々が、順に議論されるであろう。
III. High Voltage Systems
In various embodiments, the high voltage system has several improvements that contribute to its improved behavior. These include direct ion implantation, active cooling water resistors, an ideal electrostatic lens design process, and the use of precision insulating balls for electrical isolation and alignment of electronic suppression elements. Each of these improvements will be discussed in turn.

(A.直接イオン注入)
多くのビームラインは、イオン源と加速器との間に位置する構成要素を要求する。本低エネルギービーム輸送(LEBT)部分は、ビームがプラズマ源から出射すると受け入れ、要求されるビームパラメータを伴う加速器にそれを送達する。典型的には、LEBTは、限定されないが、分析磁石、集束要素、電子抑制要素、およびビームチョッパを含む。そのような構成要素は、プラズマ源から抽出されるビームが、加速器によって受け入れられるために十分に高い高品質ではない場合、必要である。そのようなLEBT構成要素は、システムのサイズ、費用、および複雑性を増加させる。増加した複雑性は、概して、より低い信頼性かつあまり堅調ではないシステムにつながる。加えて、ビーム中の空間電荷の増加に起因して、これらの問題は、概して、高電流DCビームラインに関して、より顕著になる。
A. Direct Ion Implantation
Many beamlines require components located between the ion source and the accelerator. This low energy beam transport (LEBT) section accepts the beam as it exits the plasma source and delivers it to the accelerator with the required beam parameters. Typically, the LEBT includes, but is not limited to, an analyzing magnet, focusing elements, electron suppression elements, and a beam chopper. Such components are necessary when the beam extracted from the plasma source is not of high enough quality to be accepted by the accelerator. Such LEBT components increase the size, cost, and complexity of the system. The increased complexity generally leads to a less reliable and less robust system. In addition, due to the increased space charge in the beam, these problems are generally more pronounced for high current DC beamlines.

LEBT構成要素に関するこれらの可能性として考えられる問題に照らして、いくつかの実施形態では、いかなるLEBT構成要素も採用しない直接イオン注入システムが、本明細書で提供される。直接イオン注入のみを提供するために、マイクロ波電力を迅速に変調すること、ドリフト長(イオン源と加速器カラムへの入口との間の距離)を改変すること、加速器カラム内の圧力を低減させること、(例えば、上記および本明細書に説明される第1および第2の真空ポンプを使用して)高電圧面積内の圧力を低減させることを含む、種々の解決策が、採用される。 In light of these possible problems with LEBT components, in some embodiments, a direct ion implantation system is provided herein that does not employ any LEBT components. To provide only direct ion implantation, various solutions are employed, including rapidly modulating microwave power, modifying the drift length (the distance between the ion source and the entrance to the accelerator column), reducing the pressure in the accelerator column, and reducing the pressure in the high voltage area (e.g., using the first and second vacuum pumps described above and herein).

マイクロ波イオン源に特徴的である高い原子分率は、イオン源と加速器との間の種分析磁石の必要性を排除することができる。ビームライン内の十分な真空ポンプは、背景イオン化およびイオン源と加速器との間の静電電子抑制の必要性を排除する。これは、本明細書で解説されるように、加速器の高電圧端においてポンプを追加することによって、さらに促進される。 The high atomic fraction characteristic of microwave ion sources can eliminate the need for a species analysis magnet between the ion source and the accelerator. Sufficient vacuum pumping in the beamline eliminates the need for background ionization and static electron suppression between the ion source and the accelerator. This is further facilitated by adding a pump at the high voltage end of the accelerator as described herein.

フィラメントに基づくもの等の多くのイオン源技術は、熱プロセスに依拠し、オンおよびオフになることが比較的遅い。そのような源を用いると、抽出または加速高電圧電力供給は、ビームを迅速に変調するために分路される、または切り替えられなければならない。これは、概して、信頼性を低減させながら、複雑性および費用を追加する。 Many ion source technologies, such as those based on filaments, rely on thermal processes and are relatively slow to turn on and off. With such sources, the extraction or acceleration high voltage power supplies must be shunted or switched to rapidly modulate the beam. This adds complexity and cost while generally reducing reliability.

ある実施形態では、マイクロ波イオン源は、駆動マイクロ波電力を制御することによって、迅速に直接変調される。これは、抽出および加速高電圧電力供給源が定常のままである間に、ビームが高速でパルス化または消滅されることを可能にする。そのような機能性は、ビームチョッパ、キッカ、または高電圧切り替え回路を必要とすることなく、システム試運転および機械保護を可能にする。図11は、プラズマチャンバに入射するマイクロ波を変調する、(ファラデーカップを用いて測定される)変調マグネトロンからのパルスビームの実施例を示す。 In one embodiment, the microwave ion source is rapidly directly modulated by controlling the driving microwave power. This allows the beam to be rapidly pulsed or extinguished while the extraction and acceleration high voltage power supplies remain steady. Such functionality allows for system commissioning and machine protection without the need for beam choppers, kickers, or high voltage switching circuits. Figure 11 shows an example of a pulsed beam from a modulating magnetron (measured with a Faraday cup) modulating the microwaves incident on the plasma chamber.

直接注入アーキテクチャでは、イオン源から抽出されるビームは、12Aに図示されるように、即時に加速器に入射する。本幾何学形状は、ドリフト長を最小化し、したがって、空間電荷に起因するビーム直径の増加を低減させる。イオンビーム直径は、ソレノイド集束要素にとって重要な因子である。イオン源と加速器との間のドリフト長を改変することによって、ビーム直径および発散を制御する能力は、したがって、イオン源、加速器、集束要素、および標的を合致させることによって、全ビームラインを設計するとき、より良好な性能を可能にする。したがって、ある実施形態では、ドリフト長は、直接注入アーキテクチャを最適化するように改変(延長または短縮)される。 In the direct injection architecture, the beam extracted from the ion source is instantly incident on the accelerator, as shown in 12A. This geometry minimizes the drift length and therefore reduces the increase in beam diameter due to space charge. The ion beam diameter is an important factor for the solenoid focusing element. The ability to control the beam diameter and divergence by modifying the drift length between the ion source and the accelerator therefore allows for better performance when designing the entire beamline by matching the ion source, accelerator, focusing elements, and target. Therefore, in an embodiment, the drift length is modified (lengthened or shortened) to optimize the direct injection architecture.

「ドリフト長」は、外部電磁場がない領域中でビームが進行する物理的距離である。これは、主要システム図内の抽出/抑制/出射レンズ群と加速器カラムの入口との間の物理的距離に対応する。これは、LEBTが非直接注入システムで使用されるであろう、同一の場所である。 The "drift length" is the physical distance the beam travels in the absence of external electromagnetic fields. This corresponds to the physical distance between the extraction/suppression/extraction lens group in the main system diagram and the entrance to the accelerator column. This is the same location where the LEBT would be used in a non-direct injection system.

加速器の前のドリフト長の実施例は、図12Bでは、20~500mmに示される。 Examples of drift lengths before the accelerator are shown in Figure 12B from 20 to 500 mm.

無電磁場ドリフト領域では、ビームは、背景自由電子によって大部分が中和され、空間電荷効果は、有意に低減される。これらの条件下で、イオン源から抽出されるビームのエンベロープは、一定の頂角を伴う円錐として近似されることができる。したがって、ドリフト領域の端部において加速器に入射するビームの直径は、本拡張角と併せてドリフト領域の長さによって決定されることができる。 In the field-free drift region, the beam is largely neutralized by background free electrons and space charge effects are significantly reduced. Under these conditions, the envelope of the beam extracted from the ion source can be approximated as a cone with a constant apex angle. The diameter of the beam entering the accelerator at the end of the drift region can therefore be determined by the length of the drift region together with this expansion angle.

加速器における球面収差および空間電荷効果は、ビームの直径に依存し、イオン源と加速器との間のドリフト領域の長さをシステムの性能において重要な因子にする。 Spherical aberration and space charge effects in the accelerator depend on the beam diameter, making the length of the drift region between the ion source and the accelerator an important factor in the system's performance.

確実に動作するために、直接注入システムは、概して、典型的には、熟練のオペレータによる長期的試運転プロセスを要求する、より微調整されたイオン源を要求することに留意されたい。本明細書で解説されるように、自動システム同調アルゴリズムは、そのようなプロセスの速度および信頼性を増加させる。任意の故障もまた、概して、本明細書で解説される自動復旧システムによって、オペレータ介入を伴わずに自動的に処理されることができる。これは、そのような一過性の事象によって引き起こされる任意の損傷または休止時間を効果的に最小化する、もしくは排除することができる。 Note that to operate reliably, direct injection systems generally require a more finely tuned ion source, which typically requires a lengthy commissioning process by a skilled operator. As described herein, automatic system tuning algorithms increase the speed and reliability of such processes. Any failures can also generally be handled automatically, without operator intervention, by the automatic recovery system described herein. This can effectively minimize or eliminate any damage or downtime caused by such transient events.

イオン源と加速器カラムとの間の電子抑制構成要素の排除は、概して、背景中性子または加速器壁との相互作用に起因する、加速器の中で生成される任意の電子が、高エネルギーにおいてイオン源の中へ戻るように搬送されることを可能にする。これは、イオン源構成要素への損傷をもたらし、それらの寿命を短縮し、不必要な負荷を高電圧電力供給源にかけ、それらの費用を増加させ得る。 The elimination of electron suppression components between the ion source and the accelerator column generally allows any electrons generated in the accelerator, due to interactions with background neutrons or the accelerator walls, to be transported back into the ion source at high energies. This can result in damage to the ion source components, shortening their lifespan, and placing unnecessary loads on high voltage power supplies, increasing their cost.

十分に最適化されたシステムでは、任意の加速器表面に衝突するごくわずかなレベルのビーム電流が存在するであろう。有害な逆流電子の大部分は、したがって、背景中性子との相互作用によって生成されるため、加速器内の圧力を(上記で議論されるように)低減させることは、これらの問題を最小化する。本明細書で詳細に解説されるように、イオン源と加速器との間に静電抑制レンズ(下記でさらに説明される)を伴うシステムの高電圧領域中の真空ポンプ能力を増加させることは、背景圧力を減少させ、したがって、逆流電子流を低減させる一方で、システム信頼性および安定性を改良するための効果的な方法であることが見出されている。類似ポンプを直接注入システムの高電圧端に追加することは、ある実施形態では、全体的安定性をさらに改良し、加速器構成要素の寿命を増加させるはずである。イオン源を反応させる逆流電子の悪影響は、本明細書で詳細に議論される、いわゆる逆導波路を用いて、さらに軽減されることができる。 In a fully optimized system, there will be a negligible level of beam current impinging on any accelerator surface. The majority of harmful backflow electrons are therefore generated by interactions with background neutrons, so reducing the pressure in the accelerator (as discussed above) will minimize these problems. As detailed herein, increasing the vacuum pumping capacity in the high voltage region of a system with an electrostatic suppression lens (described further below) between the ion source and the accelerator has been found to be an effective way to improve system reliability and stability while reducing the background pressure and therefore reducing backflow electron flow. Adding a similar pump to the high voltage end of a direct injection system should, in some embodiments, further improve overall stability and increase the life of accelerator components. The adverse effects of backflow electrons reacting to the ion source can be further mitigated using a so-called reverse waveguide, discussed in detail herein.

上記で議論される技術を使用すること等により、直接イオン注入を実装することは、ビーム直径を縮小し、高電流イオンビームのためのビーム輸送を改良することができる。ビーム特性を同調させることは、差動ポンプシステム上のより小さい開口、より長いビーム輸送距離、または下流高エネルギー加速器の中へのより良好な受入を可能にすることができる。一般に、より小さいビームサイズおよび開口は、ガス標的にとって重要である。また、より長い輸送は、限定されないが、加速器駆動未臨界アセンブリを含む、イオン源から大きい距離に位置する必要がある、標的にとって重要である。また、下流加速器の中への受入は、高エネルギー物理研究所にとって重要である。 Implementing direct ion implantation, such as by using the techniques discussed above, can reduce beam diameter and improve beam transport for high current ion beams. Tuning the beam characteristics can allow for smaller apertures on the differential pumping system, longer beam transport distances, or better acceptance into downstream high energy accelerators. In general, smaller beam sizes and apertures are important for gas targets. Longer transport is also important for targets that need to be located at large distances from the ion source, including but not limited to accelerator driven subcritical assemblies. Acceptance into downstream accelerators is also important for high energy physics laboratories.

(B.能動的冷却水抵抗器)
高電圧電力供給源(HVPS)が、加速器システムの構成要素を起動するために使用される。そのようなHVPSを試験するとき、出力を試験負荷に接続し、HVPSが仕様を満たすことを確実にする必要がある。試験負荷は、最大300kV DCの電圧に耐え、最大30kW、または約3kW、もしくは約5kWの熱を除却する必要がある。そのような試験負荷を構築することは、異なる負荷において動作するために複数の高価な特殊抵抗器を購入することを要求する。
(B. Active cooling water resistor)
High voltage power supplies (HVPS) are used to power the accelerator system components. When testing such an HVPS, the output is connected to a test load to ensure that the HVPS meets specifications. The test load must withstand a maximum of 300 kV DC and dissipate a maximum of 30 kW, or about 3 kW, or about 5 kW of heat. Constructing such a test load is a feasible solution for testing the load at different loads. Requires the purchase of multiple expensive specialty resistors in order to operate.

また、ある加速器は、一連の抵抗器から成る抵抗器分割器を使用し、加速器に沿って電圧を均一に分割し、アーク放電を防止し、イオンビームを適切に加速するための一様な電場を与える。従来の抵抗器は、高電圧のために定格され、嵩張り、限定された電力損失を有し、これは、加速器の性能を限定する。 Some accelerators also use resistor dividers, consisting of a series of resistors, to divide the voltage evenly along the accelerator, preventing arcing and providing a uniform electric field to properly accelerate the ion beam. Conventional resistors are rated for high voltages, are bulky, and have limited power dissipation, which limits the accelerator's performance.

ある実施形態では、最大300kVの電圧および最大30kWの電力レベルにおいてHVPSを試験するために使用されている、再循環する高電力の高電圧水抵抗器または試験負荷が、本明細書で提供される。同一の概念はまた、静電加速器のための柔軟な高電圧等級抵抗器としても使用されている(図13参照)。 In one embodiment, provided herein is a recirculating high power high voltage water resistor or test load that has been used to test HVPS at voltages up to 300 kV and power levels up to 30 kW. The same concept is also used as a flexible high voltage grade resistor for electrostatic accelerators (see FIG. 13).

これらのシステムおよび方法は、抵抗要素として再循環制御伝導度水を使用する。絶縁管類(例えば、プラスチック管類)が、接地電極と高電圧電極との間に接続される。水ポンプは、リザーバから水を取り込み、電極を通してそれを循環させ、熱交換器を通して、放散された熱を除去し、リザーバに戻す。 These systems and methods use recirculating conductivity controlled water as the resistive element. Insulated tubing (e.g., plastic tubing) is connected between the ground electrode and the high voltage electrode. A water pump takes water from a reservoir and circulates it through the electrodes and through a heat exchanger to remove dissipated heat and return it to the reservoir.

脱イオン化(DI)樹脂が、水の伝導度を低減させるために使用され、希釈金属塩溶液が、必要に応じて伝導度を増加させるために使用される。水の伝導度を能動的に制御することによって、抵抗は、広範囲にわたって変化されることができる。使用されるDI樹脂は、概して、15メガオーム-cm以上の抵抗率の脱イオン水を生成することが可能である。本樹脂は、多くの場合、等量の水素形態強酸性カチオン樹脂および水酸化物形態強塩基性アニオン樹脂から成る、「混床式」樹脂として商業的に提供される。 Deionizing (DI) resins are used to reduce the conductivity of the water, and dilute metal salt solutions are used to increase the conductivity as needed. By actively controlling the conductivity of the water, the resistance can be varied over a wide range. The DI resins used are generally capable of producing deionized water with resistivities of 15 Megaohm-cm or higher. The resins are often commercially provided as "mixed bed" resins, consisting of equal amounts of a strong acid cation resin in the hydrogen form and a strong base anion resin in the hydroxide form.

水抵抗器の電圧定格は、絶縁管の長さを調節し、所望に応じて破壊電圧を増加または減少させることによって、変更されることができる。抵抗器の電力容量は、管類の直径および水流率を選定することによって調節されため、水は、設計電力定格において沸点を超えない。 The voltage rating of the water resistor can be changed by adjusting the length of the insulating tubing to increase or decrease the breakdown voltage as desired. The power capacity of the resistor is adjusted by selecting the tubing diameter and water flow rate so that the water does not exceed its boiling point at the design power rating.

本開示の実施形態の開発中に、軟質ビニル管類が、高電圧アークに起因してピンホール漏出を発生させたことが見出された。非導電性管類のための好適な材料は、限定されないが、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、およびポリエチレンを含む。使用され得る金属塩は、限定されないが、硫酸銅、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、硫酸マグネシウム、チオ硫酸ナトリウムを含む。 During development of embodiments of the present disclosure, it was found that soft vinyl tubing developed pinhole leaks due to high voltage arcing. Suitable materials for non-conductive tubing include, but are not limited to, polycarbonate, polymethyl methacrylate (PMMA), and polyethylene. Metal salts that may be used include, but are not limited to, copper sulfate, sodium chloride, ammonium chloride, magnesium sulfate, sodium thiosulfate.

これらのシステムの例示的実施形態は、以下の通りである。水抵抗器は、最初に、脱イオン水を充填される。本理由により、水抵抗器の構築で使用される材料は、DI水システムに適合するはずである。一般に、最良の性能のために、システム内の全ての金属は、同一であるべきであるが、これは、例えば、銅、アルミニウム、またはステンレス鋼のいずれかであり得る。一般に、金属タイプを混合することは、腐食を増進し、構成要素の寿命を短縮する。抵抗を減少させるために使用される金属塩は、選択される金属に適合するべきであり、例えば、硫酸銅が、銅と併用され、塩化アンモニウムが、ステンレスと併用される等である。15または18MΩ-cmの混床式DI樹脂が、溶液から過剰なイオンを除去し、抵抗を増加させるために使用される。ある実施形態では、以下、すなわち、ステンレス電極、ステンレス熱交換器、硫酸マグネシウム塩、および15MΩ-cm色変化DI樹脂が、採用される。 Exemplary embodiments of these systems are as follows: The water resistor is initially filled with deionized water. For this reason, the materials used in the construction of the water resistor should be compatible with the DI water system. Generally, for best performance, all metals in the system should be the same, which could be, for example, copper, aluminum, or stainless steel. Mixing metal types generally increases corrosion and shortens the life of the components. The metal salt used to reduce the resistance should be compatible with the metals selected, for example, copper sulfate is used with copper, ammonium chloride is used with stainless, etc. A 15 or 18 MΩ-cm mixed bed DI resin is used to remove excess ions from the solution and increase the resistance. In one embodiment, the following is employed: stainless electrodes, stainless heat exchanger, magnesium sulfate salt, and 15 MΩ-cm color changing DI resin.

高電力・高電圧負荷のための稼働する例示的用途では、システムは、以下の通りである。絶縁管類は、0.95cmの内径、90.0cmの長さの2本のポリカーボネート管類であった。DI樹脂は、ResinTech MBD-30指示樹脂であった。銅管が、希釈食塩水への電気接続を行うために使用された。電解質は、硫酸銅であった。 In an exemplary application running for high power, high voltage loads, the system was as follows: The insulating tubing was two lengths of polycarbonate tubing with an inside diameter of 0.95 cm and a length of 90.0 cm. The DI resin was ResinTech MBD-30 indicator resin. Copper tubing was used to make the electrical connections to the dilute salt water. The electrolyte was copper sulfate.

試験負荷の抵抗は、R=rhoL/Aとして計算され、式中、rhoは、抵抗率であり、Lは、管長であり、Aは、管面積である。18メガオーム-cm抵抗率の純DI水を用いると、試験負荷抵抗は、R=18e6オーム-cm90cm/0.71平方cm.=4.6e9オームであった。本高抵抗は、本質的にゼロ負荷であり、全電圧ゼロ負荷試験が行われることを可能にした。 The resistance of the test load was calculated as R=rho * L/A, where rho is the resistivity, L is the tube length, and A is the tube area. Using pure DI water with 18 megohm-cm resistivity, the test load resistance was R=18e6 ohm-cm * 2 * 90cm/0.71 sq. cm.=4.6e9 ohms. This high resistance was essentially zero load, allowing a full voltage zero load test to be performed.

硫酸銅が、次いで、抵抗率を2960オーム-cmまで減少させるように追加され、これは、750キロオームの抵抗を生じた。これは、試験負荷が150kV、200mAにおいて動作されることを可能にした。30kWの消費電力が、熱交換器を通した水を冷却するために除却された。 Copper sulfate was then added to reduce the resistivity to 2960 ohm-cm, which resulted in a resistance of 750 kilohms. This allowed the test load to be operated at 150 kV, 200 mA. 30 kW of power was dissipated to cool the water through a heat exchanger.

ある実施形態では、PLC/ソフトウェア制御は、システムを完全に自動化し、オペレータが抵抗を選択することを可能にし、システムは、温度または伝導度のわずかなドリフトを自動的に補償するであろう。加えて、大気中酸素またはCOが水に接触することを防止するための密閉システムまたは他の方法は、より少ない消耗品を要求すること、またはサービス間隔の間の時間を増加させることによって、化学的安定性を増加させ、システムの寿命を延長するであろう。 In some embodiments, the PLC/software control will fully automate the system, allowing the operator to select the resistance, and the system will automatically compensate for slight drifts in temperature or conductivity. Additionally, a sealed system or other method to prevent atmospheric oxygen or CO2 from contacting the water will increase chemical stability and extend the life of the system by requiring fewer consumables or increasing the time between service intervals.

(C.レンズ設計)
静電レンズスタックが、マイクロ波プラズマ源からイオンを抽出し、それらをビームに形成するために使用される。静電レンズスタックは、i)プラズマレンズ、ii)抽出レンズ、iii)抑制レンズ、およびiv)出射レンズから成る。レンズの精密な形状は、電流密度、スポットサイズ、発散、およびエミッタンスの観点から、所与の源パラメータおよび印加電圧におけるビーム性能に影響を及ぼす。これらは、システムの堅調性、全抽出電流、および高電圧要件に影響を及ぼす。プロセスが、最大印加電圧および電場等の動作制約を受ける下流構成要素(例えば、加速器カラム、集束ソレノイド、または低コンダクタンス開口)を通して伝搬するにつれて所望の性質のビームを取得するための適切なレンズを決定するために、要求される。
(C. Lens Design)
An electrostatic lens stack is used to extract ions from a microwave plasma source and form them into a beam. The electrostatic lens stack consists of i) a plasma lens, ii) an extraction lens, iii) a suppression lens, and iv) an exit lens. The precise shapes of the lenses affect the beam performance at given source parameters and applied voltages in terms of current density, spot size, divergence, and emittance. These affect the system robustness, total extraction current, and high voltage requirements. This is required to determine the appropriate lenses to obtain a beam of desired properties as the process propagates through downstream components (e.g., accelerator columns, focusing solenoids, or low conductance apertures) that are subject to operational constraints such as maximum applied voltage and electric field.

ある実施形態では、所望のビーム性質を考慮して、プラズマおよび抽出レンズのための公称上理想的なプロファイルを決定する、内部コンピュータコードを用いて開始するレンズ設計プロセスが、本明細書で提供される。これはまた、ファイルを生成し、抽出システムおよび下流構成要素を通してイオンビーム輸送を刺激するために使用される市販のプログラムである、PBGUNS(粒子ビームGUNシミュレーション)に計算されたレンズ幾何学形状を入力する。図14は、レンズ設計ソフトウェアアプリケーションのための例示的ユーザインターフェースを示す。 In one embodiment, a lens design process is provided herein that begins with an internal computer code that determines a nominally ideal profile for the plasma and extraction lens, given the desired beam properties. This also generates files and inputs the calculated lens geometry into PBGUNS (Particle Beam GUN Simulation), a commercially available program used to stimulate ion beam transport through the extraction system and downstream components. Figure 14 shows an exemplary user interface for the lens design software application.

PBGUNSは、ビーム軌道および結果を出力し、設計されるレンズスタックの好適性を確認するために使用されることができ、またはビーム品質、したがって、全体的なシステムの性能を最適化するように幾何学形状に行われ得る変更を示唆する。図15は、PBGUNSからのサンプルビーム軌道プロットを示す。 PBGUNS outputs beam trajectories and results that can be used to verify the suitability of the lens stack being designed or suggest modifications that can be made to the geometry to optimize beam quality and therefore overall system performance. Figure 15 shows a sample beam trajectory plot from PBGUNS.

レンズ形状決定コードへの入力は、プラズマレンズ開口におけるビーム電流、抽出電圧、イオン種比率、最大電場、およびイオン電流密度である。コードは、ビームの外側のゼロ電荷に関する方程式(ラプラスの方程式)を満たし、ビームの縁において2つの領域の間で合致する解を生じさせながら、プラズマと抽出レンズとの間に球状に収束する空間電荷限定イオン流をもたらす、レンズを出力する。 The inputs to the lens shape determination code are the beam current, extraction voltage, ion species ratio, maximum electric field, and ion current density at the plasma lens aperture. The code outputs a lens that satisfies the equation for zero charge outside the beam (Laplace's equation) and results in a spherically converging space-charge limited ion flow between the plasma and the extraction lens while producing a congruent solution between the two regions at the edge of the beam.

PBGUNSは、システムの幾何学形状以外にも多くの入力を有する。これらは、グリッド精度、経験的に決定されたビーム中和因子、および源プラズマ内の電子およびイオン温度を含む。プログラムは、ビーム軌道プロット、ならびに具体的軸方向場所における相空間プロットおよびエミッタンス計算を出力する。ある限定されたビームレットデータもまた、起動あたりの単一の軸方向場所に関して出力され、これは、結果をより詳細に後処理するために使用されることができる。 PBGUNS has many inputs beyond the system geometry. These include the grid accuracy, empirically determined beam neutralization factors, and electron and ion temperatures in the source plasma. The program outputs beam trajectory plots, as well as phase space plots and emittance calculations at specific axial locations. Some limited beamlet data is also output for a single axial location per run, which can be used to post-process the results in more detail.

ある実施形態では、他のプログラムが、(例えば、いくつかの用途にとって重要であり得る、プラズマ源から抽出され得る全電流を増加させるための多重開口抽出システムを考慮する場合)3D構成をシミュレートすることを可能にするレンズを設計するために使用される。IBSIMU等の他のソフトウェアパッケージも、PBGUNSより速く2D幾何学形状も起動しながら3D構成を可能にするが、全計算は、あまり正確ではない場合がある。 In some embodiments, other programs are used to design lenses that allow 3D configurations to be simulated (e.g., when considering a multi-aperture extraction system to increase the total current that can be extracted from the plasma source, which may be important for some applications). Other software packages such as IBSIMU also allow 3D configurations while also running 2D geometries faster than PBGUNS, but the full calculations may not be as accurate.

(D.抑制要素の実装)高エネルギーイオンビーム発生器は、抽出レンズに対して負にバイアスをかけられ、それから直接下流に位置する抑制電極を伴い、その後に抽出レンズと電気的に接触する出射電極が続く、抽出レンズスタックを採用してもよい。静電電位の結果として生じる低下は、(例えば、固体表面からのイオン化または二次電子放出によって)下流に作成される電子が高エネルギーまで加速され、源構成要素を損傷することを防止する。閉じ込められた電子はまた、イオンビームの空間電荷補償により効果的に寄与し、ビームサイズ、発散、およびエミッタンスを低減させ得る。そのようなレンズスタックは、したがって、システムの信頼性を増進し、ビーム品質を改良し、標的に輸送され得る全電流を増加させ、さらなる稼働時間およびスループットをもたらす。 D. Implementation of Suppression Elements High energy ion beam generators may employ an extraction lens stack negatively biased with respect to the extraction lens, with a suppression electrode located directly downstream from it, followed by an exit electrode in electrical contact with the extraction lens. The resulting drop in electrostatic potential prevents electrons created downstream (e.g., by ionization or secondary electron emission from a solid surface) from accelerating to high energies and damaging source components. The trapped electrons may also contribute more effectively to space charge compensation of the ion beam, reducing beam size, divergence, and emittance. Such a lens stack may therefore promote system reliability, improve beam quality, and increase the total current that can be delivered to the target, resulting in additional uptime and throughput.

レンズスタック内の電極をともに整合および保持しながら、それらの間の高電圧に耐えるために使用される構成要素が、本明細書で提供される。本機構は、機械的に堅調であり、電気絶縁を提供し、超高真空に適合し、高温での温度のために定格され、バランスを保つための基準の複雑なセットである。 Provided herein are components used to align and hold together electrodes in a lens stack while withstanding high voltages between them. The mechanism is mechanically robust, provides electrical insulation, is ultra-high vacuum compatible, rated for high temperatures, and is a complex set of criteria to balance.

いくつかの実施形態では、絶縁ボール(例えば、セラミックボール)が、例えば、図16に示されるように、ともに積み重ねられた各一対の電極上の円錐形くぼみの間に押圧される。いくつかの実施形態では、レンズ間隙毎に、3つの絶縁ボール(例えば、セラミッボール)が、完全に画定された平面上で機械的接触を達成するように、方位座標において均等に間隔を置かれる。それらの高度な球対称および直径公差を考慮すると、3つのセラミックボールの反対側に対してしっかりと押圧される2つの電極が、他の幾何学形状と比較して残留自由度を有していないため、セラミックボールは、レンズの自己整合を可能にする。 In some embodiments, an insulating ball (e.g., a ceramic ball) is pressed between the conical depressions on each pair of electrodes stacked together, as shown, for example, in FIG. 16. In some embodiments, for each lens gap, three insulating balls (e.g., ceramic balls) are evenly spaced in azimuth coordinates to achieve mechanical contact on a perfectly defined plane. Given their high degree of spherical symmetry and diameter tolerances, the ceramic balls allow for self-alignment of the lens, since the two electrodes that are tightly pressed against the opposite sides of the three ceramic balls have no residual degrees of freedom compared to other geometries.

セラミックボールは、超高真空、非常に高い温度のために定格され、非常に硬質かつ剛性であり、高い誘電強度を有し、高電圧において使用するための絶縁を提供する。いくつかの実施形態では、レンズスタック全体は、抽出電極と出射電極が同一の静電電位において保持され、それらの間の電気的接触が所望されるため、これらの間の金属ボルトによって保持される。金属ボルトはまた、セラミックボルトよりもはるかに耐久性がある。 Ceramic balls are rated for ultra-high vacuum, very high temperatures, are very hard and rigid, have high dielectric strength, and provide insulation for use at high voltages. In some embodiments, the entire lens stack is held by metal bolts between the extraction and ejection electrodes since they are held at the same electrostatic potential and electrical contact between them is desired. Metal bolts are also much more durable than ceramic bolts.

セラミックボールは、直径の非常に高い精度(約0.1%)および球形度(約0.01%)を伴って比較的低費用において、既製の構成要素として容易に製造される、または利用可能である。セラミックボールは、多くの場合、大部分はアルミナから作製され、1,000℃超の温度のために定格されるが、他の材料も使用され得る。 Ceramic balls are easily manufactured or available as off-the-shelf components at relatively low cost with very high precision of diameter (about 0.1%) and sphericity (about 0.01%). Ceramic balls are often made mostly from alumina and are rated for temperatures in excess of 1,000°C, although other materials may be used.

精密セラミックボールを使用する前に、セラミックボルト、ナット、およびワッシャが使用された。これらは、真空、高温、および高電圧動作のために定格されることができる。しかしながら、それらは、特にレンズスタックの軸が水平に配向されるとき、剪断応力の影響を受けやすいため、脆く、容易に破壊し得る。また、電極内の貫通孔が、必然的にボルトねじ山の外径よりも大きいため、レンズは、自己整合がそのタイプのアセンブリの特徴ではないように、最低でも2自由度を有する。 Prior to the use of precision ceramic balls, ceramic bolts, nuts, and washers were used. These can be rated for vacuum, high temperature, and high voltage operation. However, they are subject to shear stresses and can easily break, especially when the axis of the lens stack is oriented horizontally. Also, because the through holes in the electrodes are necessarily larger than the outer diameter of the bolt threads, the lenses have a minimum of two degrees of freedom so that self-alignment is not a feature of that type of assembly.

精密セラミックボールの使用は、高電圧、高温、および超高真空における使用を可能にしながら、レンズ間の固有の自己整合を加えた、抑制電極を使用する抽出レンズスタックの機械的に堅調なアセンブリを可能にしている。本構成要素は、機械的安定性、ビーム品質、および源ならびにビームライン構成要素の保護の観点から、全体的なシステムの信頼性を改良することに役立つ一方で、着目標的に確実に輸送され得る全電流を増加させる。 The use of precision ceramic balls allows for a mechanically robust assembly of the extraction lens stack using suppression electrodes, adding inherent self-alignment between the lenses while enabling use at high voltages, high temperatures, and ultra-high vacuum. This component increases the total current that can be reliably transported to the target while helping to improve overall system reliability in terms of mechanical stability, beam quality, and protection of the source and beamline components.

(IV.中性子生成標的)
いくつかの進歩が、その例示的性能に寄与する中性子生成標的システムに対して遂げられている。これらは、A)固体標的のための能動冷却、B)アルゴンスパッタ浄化プロセス、C)ガス状標的システム内の管開口上に熱負荷を分配するための機構、D)逆ガス噴射、およびE)ビームスクレーパの実装を含む。
(IV. Neutron generation target)
Several advances have been made to neutron producing target systems that contribute to their exemplary performance. These include A) active cooling for solid targets, B) argon sputter cleaning process, C) gaseous targets. D) Reverse gas injection; and E) implementation of a beam scraper.

(A.高電力密度固体標的冷却)
加速器駆動中性子発生器システムに関して、イオンビームエネルギーの大部分は、核反応ではなく標的加熱をもたらす。高収率システムは、必然的に、高電力イオンビーム、および標的において生成される結果として生じる大きい熱負荷の除去を要求する。
(A. High power density solid target cooling)
For accelerator-driven neutron generator systems, the majority of the ion beam energy results in target heating rather than nuclear reactions. High yield systems necessarily require high power ion beams and the resulting large neutrons generated at the target. Requires removal of heat load.

固体標的は、非反応性材料の固体マトリクスに埋め込まれた、反応性種、典型的には、重水素またはトリチウムから成る。そのような非反応性マトリクスは、概して、イオンビームとの任意の相互作用が、廃熱のみをもたらし、いかなる所望の核反応ももたらさないであろうため、発生器の効率をさらに低減させるであろう。加えて、固体標的の高い密度は、概して、入射イオンビームのための短い停止距離につながり、標的の中へ堆積される高体積電力密度をもたらす。 A solid target consists of a reactive species, typically deuterium or tritium, embedded in a solid matrix of non-reactive material. Such a non-reactive matrix would generally further reduce the efficiency of the generator, since any interaction with the ion beam would result only in waste heat and not any desired nuclear reaction. In addition, the high density of a solid target generally leads to a short stopping distance for the incident ion beam, resulting in a high volumetric power density being deposited into the target.

所望の中性子が核融合反応を通して生成される容積は、ビームイオンが堆積される標的内の容積によって画定される。限定されないが、高速中性子ラジオグラフィを含む、ある用途に関して、点状中性子源が、より高品質の画像を提供するために望ましい。これは、標的上の小さいイオンビームスポットサイズに対応する。 The volume in which the desired neutrons are produced through the fusion reaction is defined by the volume within the target in which the beam ions are deposited. For certain applications, including but not limited to fast neutron radiography, a point neutron source is desirable to provide higher quality images. This corresponds to a small ion beam spot size on the target.

ある期間で生成される中性子の数によって測定される所与の全中性子収率に関して、面積あたりの時間あたりの中性子の数によって測定される中性子束は、概して、標的内の中性子生成容積が低減されるにつれて増加される。高中性子束が、限定されないが、中性子活性化分析および原子炉構成要素のための材料試験を含む、用途のために望ましい。 For a given total neutron yield, measured by the number of neutrons produced in a period of time, the neutron flux, measured by the number of neutrons per time per area, generally increases as the neutron production volume within the target is reduced. High neutron flux is desirable for applications including, but not limited to, neutron activation analysis and materials testing for nuclear reactor components.

限定されないが、上記に説明されるものを含む、理由により、小さい容積の中へイオンビームのエネルギーを堆積させることは、加速器駆動中性子発生器の性能のために望ましい。ビーム集束要素が、標的上のスポットサイズを空間電荷効果によって限定されるほぼ恣意的に小さい面積まで縮小するために、使用されることができる。実践では、達成可能なスポットサイズは、固体標的の中へのイオンビームの高電力堆積によって限定される。 For reasons including but not limited to those described above, depositing the energy of the ion beam into a small volume is desirable for the performance of accelerator-driven neutron generators. Beam focusing elements can be used to reduce the spot size on the target to an almost arbitrarily small area limited by space charge effects. In practice, the achievable spot size is limited by the high power deposition of the ion beam into a solid target.

水素同位体の核の間の核融合反応を介した加速器駆動中性子生成の用途に関して、チタン等の高水素貯蔵容量を伴う固体標的材料が、高い中性子収率のために望ましい。重水素またはトリチウムが、原位置で、またはオーブン焼成プロセスにおいて、ビームによって直接標的に埋め込まれる。 For applications of accelerator-driven neutron production via fusion reactions between nuclei of hydrogen isotopes, a solid target material with high hydrogen storage capacity, such as titanium, is desirable for high neutron yields. Deuterium or tritium is implanted directly into the target by the beam, either in situ or in an oven-baking process.

融解およびアブレーションを含む機構を通した固体標的の物理的破壊以外に、重水素またはトリチウム核反応を利用する固体標的中性子発生器は、拡散が標的材料内からの水素の損失につながる温度を下回って維持されなければならない。概して、金属水素化物の水素蒸気圧は、摂氏約250度を上回る温度において非常に高い。 Besides physical destruction of the solid target through mechanisms including melting and ablation, solid target neutron generators utilizing deuterium or tritium nuclear reactions must be maintained below a temperature at which diffusion would lead to loss of hydrogen from within the target material. In general, the hydrogen vapor pressure of metal hydrides is very high at temperatures above about 250 degrees Celsius.

一般に、イオンビーム標的のための2つの基礎的冷却要件がある。第1に、ビームによって堆積される全平均電力は、およそ熱時定数の時系列にわたって標的アセンブリのバルク加熱を防止するように除却されるべきである。第2に、標的材料に入射するビームの瞬間電力密度は、即時の局所的材料損傷を防止するために十分低くあるべきである。 In general, there are two fundamental cooling requirements for ion beam targets. First, the total average power deposited by the beam should be removed to prevent bulk heating of the target assembly over a time series of approximately the thermal time constant. Second, the instantaneous power density of the beam incident on the target material should be low enough to prevent immediate localized material damage.

平均イオンビーム電力は、ビーム電流、ビームエネルギー、およびデューティサイクルの積によって決定される。本値は、典型的には、本明細書に説明される例示的システムのうちのいくつかでは約数千~数万ワットであるが、同一の原理が、より高い電力レベルにも適用される。結果として生じた定常状態バルク温度上昇は、冷却剤の質量流率および比熱によって決定される。本第1の要件は、限定されないが、水、グリコール、または油を含む、冷却剤の中程度の質量流率(例えば、10~100ガロン/分の冷却剤)を用いて容易に満たされる。 The average ion beam power is determined by the product of the beam current, beam energy, and duty cycle. This value is typically on the order of several thousand to tens of thousands of watts in some of the exemplary systems described herein, although the same principles apply to higher power levels. The resulting steady-state bulk temperature rise is determined by the mass flow rate and specific heat of the coolant. This first requirement is easily met with moderate mass flow rates of coolants (e.g., 10-100 gallons/min of coolant), including but not limited to water, glycol, or oil.

体積電力密度に関する第2の要件は、概して、高性能システムに関して達成することがより困難である。入射ビーム電力は、ビームスポットサイズおよび標的内のビームの停止電力によって画定される細い表面容積の中へ堆積される。本電力は、除去される前に、標的材料を通して冷却剤の中へ伝達しなければならない。界面における熱伝達は、部分的に、材料、幾何学形状、表面条件、および冷却剤流体動態によって画定される。 The second requirement, volumetric power density, is generally more difficult to achieve for high performance systems. The incident beam power is deposited into a narrow surface volume defined by the beam spot size and the stopping power of the beam in the target. This power must be transferred through the target material into the coolant before being removed. Heat transfer at the interface is defined, in part, by the materials, geometry, surface conditions, and coolant fluid dynamics.

標的温度は、核融合反応のために要求される、埋込水素および水素化物の損失を防止するように、摂氏約250度を下回って保たれるべきである。これは、最小化された標的壁厚、高熱伝導率材料、増加した冷却剤表面積、乱流冷却剤流、および清浄な冷却剤チャネル表面を用いて遂行される。 The target temperature should be kept below about 250 degrees Celsius to prevent loss of embedded hydrogen and hydrides, which are required for the fusion reaction. This is accomplished using minimized target wall thickness, high thermal conductivity materials, increased coolant surface area, turbulent coolant flow, and clean coolant channel surfaces.

開ループ水冷を使用する初期システムの性能は、経時的に劣化することが見出された。冷却チャネル内に蓄積する鉱質沈着物の非常に低い熱伝導率を考慮すると、極めて薄い層さえも、熱伝達および結果として生じる標的表面温度に有意な影響を及ぼす。標的において固有の高温は、冷却剤流を制限し、冷却容量を低減させ、暴走故障モードを生成し得る、鉱質沈着物の沈殿を増加させる傾向がある。 The performance of early systems using open-loop water cooling was found to degrade over time. Given the very low thermal conductivity of the mineral deposits that accumulate within the cooling channels, even extremely thin layers have a significant effect on heat transfer and the resulting target surface temperature. The high temperatures inherent at the target tend to increase the precipitation of mineral deposits, which can restrict coolant flow, reduce cooling capacity, and create a runaway failure mode.

能動的に濾過および脱イオン化された冷却剤を用いた閉ループ冷却は、寿命を延長し、標的の性能を改良しながら、標的内のそのような沈着物を防止する。 Closed-loop cooling with actively filtered and deionized coolant prevents such deposits within the target while extending the life and improving the target's performance.

固体標的上の電力密度を低減させるための1つのアプローチは、イオンビームが高い偏心率および増加した表面積を伴う楕円にわたって堆積されるように、斜角でそれを位置付けることである。単一傾斜面、傾斜面のアレイ、または円錐を利用する、多くの標的が、試験された。そのような幾何学形状は、中性子生成が一次用途ではない、高電力ビーム停止部上で使用される。本方法を使用する標的は、必然的により大きく、より高価かつ複雑であり、概して、より補助的なハードウェアを要求する。これは、そのようなアプローチを、点状中性子源を要求するシステムまたはコンパクトで容易に可搬式のシステムにとって望ましくなくする。 One approach to reducing the power density on a solid target is to position it at an oblique angle so that the ion beam is deposited over an ellipse with high eccentricity and increased surface area. Many targets have been tested that utilize a single oblique plane, an array of oblique planes, or a cone. Such geometries are used on high power beam stops where neutron production is not the primary application. Targets using this method are necessarily larger, more expensive and complex, and generally require more auxiliary hardware. This makes such an approach undesirable for systems requiring a point neutron source or for compact, easily portable systems.

標的サイズを縮小するために、標的上のビームスポットサイズは、縮小されなければならず、より高い電力密度をもたらす。これらの条件下で標的表面温度要件を維持するために、より効率的な熱伝達が必要とされる。いくつかの実施形態では、標的壁は、最小限の厚さである(例えば、0.005~0.020インチ、例えば、0.010インチ)。本寸法は、冷却剤チャネル圧力を含むために必要な構造的完全性によって限定される。ビームの電力をさえぎる標的表面と冷却剤との間の温度差は、標的壁の厚さおよび壁材料の熱伝導率に比例する。したがって、標的および冷却チャネル壁の材料および物理的構造の両方が、固体標的の性能を決定する。標的壁厚を縮小することは、したがって、より低い標的表面温度を可能にする。理想的な壁材料は、高い熱伝導率、高い引張強度、および高い機械加工性を有する。そのような材料は、限定されないが、銅、銀、金、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、またはそれらの組み合わせを含む。 To reduce the target size, the beam spot size on the target must be reduced, resulting in higher power density. To maintain the target surface temperature requirements under these conditions, more efficient heat transfer is required. In some embodiments, the target walls are of a minimum thickness (e.g., 0.005-0.020 inches, e.g., 0.010 inches). This dimension is limited by the structural integrity required to contain the coolant channel pressure. The temperature difference between the target surface and the coolant that intercepts the beam's power is proportional to the target wall thickness and the thermal conductivity of the wall material. Thus, both the material and physical structure of the target and cooling channel walls determine the performance of the solid target. Reducing the target wall thickness therefore allows for lower target surface temperatures. An ideal wall material has high thermal conductivity, high tensile strength, and high machinability. Such materials include, but are not limited to, copper, silver, gold, diamond, diamond-like carbon, or combinations thereof.

加えて、有効表面積は、フィン、リブ、または他の渦巻きの追加を通して増加される。そのような特徴は、より薄い壁を可能にする標的の構造強度を増加させることができる。特徴は、限定されないが、フライス加工、鋳造、または付加製造を含む、複数の技法を用いて製造されることができる。乱流誘発構造の実施例は、平滑表面を中断するためのくぼんだ穴を伴う複数の並列フィンを含む。例示的構造が、図17に示される。 Additionally, the effective surface area is increased through the addition of fins, ribs, or other convolutions. Such features can increase the structural strength of the target allowing for thinner walls. The features can be manufactured using multiple techniques, including but not limited to milling, casting, or additive manufacturing. Examples of turbulence-inducing structures include multiple parallel fins with recessed holes to interrupt a smooth surface. An example structure is shown in FIG. 17.

いくつかの実施形態では、水が、冷却剤として使用される。これは、広範囲の低費用で信頼性のある商業用ポンプ、フィルタ、および他の補助機器の使用を可能にし、冷却システムを支援する。 In some embodiments, water is used as the coolant. This allows for the use of a wide range of low-cost, reliable commercial pumps, filters, and other auxiliary equipment to support the cooling system.

他の実施形態は、限定されないが、油、ガス、または液体金属を含む、他の冷却剤を利用してもよい。添加剤が、冷却剤の性質を改変するために使用され得る。 Other embodiments may utilize other coolants, including but not limited to oil, gas, or liquid metal. Additives may be used to modify the properties of the coolant.

高品質閉ループ冷却剤システムが、清浄な冷却剤チャネル表面を維持する。本密閉システムは、大気中酸素または他の物質が冷却剤チャネルの表面と反応するために利用可能ではないように防止する。冷却剤ループはまた、限定されないが、脱イオン化および濾過を含む、技法を用いてさらに処理される。 A high quality closed loop coolant system maintains clean coolant channel surfaces. This sealed system prevents atmospheric oxygen or other substances from being available to react with the surfaces of the coolant channels. The coolant loop is also further processed using techniques including, but not limited to, deionization and filtration.

層流は、冷却チャネルの流体・固体界面において絶縁層を生成し、熱伝達を制限する。図18に図示されるような断続的へこみおよび螺旋状くぼみ等の不規則な特徴は、乱流を誘発させ、代わりに、システムの熱伝達を改良する傾向がある。流体冷却剤チャネルは、固体標的アセンブリの面内に位置する。本アセンブリは、ビームラインの端部に位置する。いくつかの実施形態では、固体標的は、接地電位に位置し、全体的なシステムへのいかなる特殊接続も要求しない。いくつかの実施形態では、固体標的は、システムの他の部分から熱的に分離される。これは、標的を通した冷却剤の温度および流率を監視することによって、標的の中へイオンビームによって堆積される電力の熱量測定を可能にする。イオンビームのエネルギーが公知であるため、堆積される電力は、イオンビームによって標的に搬送される電流を決定するために使用されることができる。 Laminar flow creates an insulating layer at the fluid-solid interface of the cooling channel, limiting heat transfer. Irregular features such as the intermittent dimples and spiral indentations illustrated in FIG. 18 tend to induce turbulence, which in turn improves the heat transfer of the system. The fluid coolant channels are located in the face of the solid target assembly. This assembly is located at the end of the beamline. In some embodiments, the solid target is at ground potential and does not require any special connections to the overall system. In some embodiments, the solid target is thermally isolated from the rest of the system. This allows calorimetric measurement of the power deposited by the ion beam into the target by monitoring the temperature and flow rate of the coolant through the target. Since the energy of the ion beam is known, the deposited power can be used to determine the current delivered to the target by the ion beam.

固体標的アセンブリの他の実施形態は、全体的なシステムから電気的に分離され、有効イオンビームエネルギーおよび中性子収率を増加させるために、それが高電圧にバイアスをかけられることを可能にする。そのような実施形態は、接地電位に位置するポンプから高電圧固体標的に輸送される冷却剤または高電圧において分離される完全閉ループ冷却システムの使用を伴う。そのような方法は、同様に接地に対して高電圧に電気的にバイアスをかけられる、イオン源に冷却または電力を提供するための本明細書に説明されるものに類似する。 Another embodiment of the solid target assembly is electrically isolated from the overall system, allowing it to be biased to a high voltage to increase the effective ion beam energy and neutron yield. Such an embodiment involves the use of a fully closed loop cooling system in which coolant is delivered to the high voltage solid target from a pump located at ground potential or isolated at high voltage. Such methods are similar to those described herein for providing cooling or power to an ion source, which is also electrically biased to a high voltage with respect to ground.

乱流はまた、概して、より大きい圧力損失を有する。冷却剤流率および圧力降下が、乱流誘発特徴の設計において考慮されるべきである。計算的流体動態シミュレーションが、これらの値を決定し、それらを冷却剤ポンプシステムの性能に合致させるために使用される。並列および直列の要素の数を調節することによって、標的の動作流率および圧力低下が、調節される。 Turbulent flow also generally has a higher pressure loss. Coolant flow rate and pressure drop should be considered in the design of turbulence-inducing features. Computational fluid dynamics simulations are used to determine these values and match them to the performance of the coolant pump system. By adjusting the number of parallel and series elements, the target operating flow rate and pressure drop are adjusted.

標的の熱伝達性能は、冷却剤と標的表面との間の温度差によって特徴付けられる。表面の絶対温度は、したがって、入口冷却剤温度を低減させることによって、所与のシステムに関して低減される。閉ループ冷却剤の予冷は、冷却装置または他の方法を用いて達成される。最低達成可能冷却剤温度は、概して、冷却剤の融点によって限定される。 The heat transfer performance of a target is characterized by the temperature difference between the coolant and the target surface. The absolute temperature of the surface is therefore reduced for a given system by reducing the inlet coolant temperature. Closed-loop coolant pre-cooling is achieved using a chiller or other methods. The minimum achievable coolant temperature is generally limited by the melting point of the coolant.

水性冷却剤の予冷は、その比較的高い融点によって限定される。ヘリウム等の他の冷却剤の使用は、冷却材が標的に進入する際のはるかに低い温度を可能にする。これは、所与のイオンビーム電力密度のより低い標的表面温度をもたらす。同様に、より多くの点状中性子源およびより高い束をもたらす、より高いイオンビーム電力密度が、必要な低い標的表面温度を維持しながら達成されることができる。 Pre-cooling of aqueous coolants is limited by their relatively high melting point. The use of other coolants, such as helium, allows for much lower temperatures as the coolant enters the target. This results in lower target surface temperatures for a given ion beam power density. Similarly, higher ion beam power densities, resulting in more point-like neutron sources and higher flux, can be achieved while maintaining the required low target surface temperatures.

水素種の低い質量は、金属標的の低いスパッタリング率をもたらす。標的表面の寿命は、ビームが、標的に先立ったビームライン内の分析磁石または他の質量濾過構成要素を用いて除去され得る、より重いイオン汚染物質を含む場合、短縮される。 The low mass of the hydrogen species results in a low sputtering rate of the metal target. The lifetime of the target surface is shortened if the beam contains heavier ion contaminants that can be removed using an analytical magnet or other mass filtering components in the beamline prior to the target.

高電力密度イオンビーム標的は、より物理的にコンパクトかつ可搬式のシステム、より多くの点状中性子源、およびより高い中性子束を可能にする。 High power density ion beam targets allow for more physically compact and portable systems, more point neutron sources, and higher neutron fluxes.

(B.中性子収率を維持するための固体標的の浄化)
中性子源は、ある時は、チタン金属でめっきされたビーム標的を使用する。チタンは、流入重水素が核融合反応を引き起こし、中性子を放出し得るように、有意量の重水素を吸着する。しかしながら、チタンは、酸素および窒素とも反応し、重水素ビームに対する障壁を形成し、中性子出力を低下させ得る、極めて活性の金属である。真空システム内の微量汚染物質は、本問題を生じさせるために十分に高くあり得る。
B. Purifying Solid Targets to Maintain Neutron Yield
Neutron sources sometimes use beam targets plated with titanium metal. Titanium adsorbs significant amounts of deuterium so that the incoming deuterium can cause a fusion reaction and release neutrons. However, titanium is an extremely reactive metal that can also react with oxygen and nitrogen, forming a barrier to the deuterium beam and reducing neutron output. Trace contaminants in the vacuum system can be high enough to create this problem.

いくつかの実施形態では、少量のアルゴンガス(例えば、1~10立方センチメートル/分)が、ビームが動作している間に真空システムに流入される。イオンビームは、ある程度の運動エネルギーをアルゴンガスに伝達する。エネルギーアルゴン原子が、次いで、標的表面に衝突し、スパッタリングによって汚染酸化物/窒化物層を除去する。アルゴンは、一次ビーム種よりもはるかに重いため、スパッタリングを誘発するために効率的である一方で、その化学不活性は、それが標的表面上でチタンと他の化合物を形成することを防止する。図19は、中性子収率へのチタン化合物形成およびアルゴン浄化プロセスの影響を示す。標的は、最初に、最大10,000秒で重水素を装填するが、次いで、酸化/窒化チタンの遅い蓄積が、中性子出力を低下させる。短時間のアルゴン浄化が、125,000秒において、長時間の浄化が、150,000~175,000秒において起こり、中性子出力を初期レベルに戻す。 In some embodiments, a small amount of argon gas (e.g., 1-10 cubic centimeters per minute) is flowed into the vacuum system while the beam is operating. The ion beam transfers some kinetic energy to the argon gas. Energetic argon atoms then impact the target surface and remove the contaminating oxide/nitride layer by sputtering. While argon is much heavier than the primary beam species and therefore efficient for inducing sputtering, its chemical inertness prevents it from forming titanium and other compounds on the target surface. Figure 19 shows the effect of titanium compound formation and the argon purge process on neutron yield. The target initially loads with deuterium for up to 10,000 seconds, but then a slow buildup of titanium oxide/nitride reduces the neutron output. A short argon purge occurs at 125,000 seconds and a long purge occurs at 150,000-175,000 seconds to return the neutron output to the initial level.

アルゴンは、全体的な真空システム圧力を過剰に増加させることなく、標的の近傍の局所アルゴン圧力を可能な限り高くするために、可能な限り固体標的の近くに真空システムの中へ送給されるべきである。いくつかの実施形態では、アルゴンガス源が、真空の内側の常駐し、固体標的場所においてアルゴンを直接送達する金属管によって、真空システムに接続される。 Argon should be delivered into the vacuum system as close to the solid target as possible to make the local argon pressure near the target as high as possible without excessively increasing the overall vacuum system pressure. In some embodiments, an argon gas source resides inside the vacuum and is connected to the vacuum system by a metal tube that delivers argon directly at the solid target location.

クリプトンおよびキセノン等の他の重い不活性ガスもまた、採用され得るが、それらは、より法外に高い費用がかかる。 Other heavy inert gases such as krypton and xenon can also be employed, but they are prohibitively expensive.

唯一の以前の方法は、システムから標的を除去し、標的を機械的に浄化して、酸化/窒化チタン層を除去することであった。これは、時間のかかるプロセスであり、必要であるよりも有意に多くの標的めっきを除去し、標的寿命を大幅に短縮した。さらに、標的の周期的置換が、システムの稼働時間、したがって、経時的にユーザのための総スループットを低減させる。 The only previous method was to remove the target from the system and mechanically clean the target to remove the titanium oxide/nitride layer. This was a time consuming process that removed significantly more of the target plating than was necessary, greatly shortening the target life. Furthermore, the periodic replacement of the target reduced the system's uptime and therefore the total throughput for the user over time.

(C.管開口)
ガス状標的中性子発生器では、大きい圧力勾配が、全中性子収率を最大限にするために、標的と加速器との間で維持される必要がある。したがって、イオンビーム加速器から標的ガスを分離する開口は、必然的に小さい(例えば、直径が数ミリメートルである)。イオンビーム電力密度は、開口を通過するとき、それに対応して大きく(数百MW/m)、定常状態動作においていかなる固体表面によっても耐えられない。加速器システムにおける熱/機械的または電気的変動に起因する、ビーム集束および操向のわずかな偏差が、標的入口開口への重大な損傷をもたらし得る。これは、圧力勾配が維持されることができない場合にシステム性能の劣化、またはさらに真空の損失および/または真空システムに進入する冷却水に起因する重大なシステム損傷につながり得る。
C. Tube Opening
In gaseous target neutron generators, a large pressure gradient needs to be maintained between the target and the accelerator to maximize the total neutron yield. The aperture separating the target gas from the ion beam accelerator is therefore necessarily small (e.g., a few millimeters in diameter). The ion beam power density, when passing through the aperture, is correspondingly large (hundreds of MW/ m2 ) and cannot be tolerated by any solid surface in steady-state operation. Small deviations in beam focusing and steering due to thermal/mechanical or electrical fluctuations in the accelerator system can result in severe damage to the target entrance aperture. This can lead to degradation of system performance if the pressure gradient cannot be maintained, or even severe system damage due to loss of vacuum and/or cooling water entering the vacuum system.

イオンビームは、加速ステージから出射する際に直径が数センチメートルであり、ガス状標的まで入口開口を通過するために、数ミリメートルまで集束されなければならない。ビームがその最小直径まで集束される軸方向距離は、集束ソレノイド内の電流に依存する。静電または磁気四重極多重項または永久磁石/電磁石ハイブリッドを含む、種々の調節可能な集束機構もまた、使用され得る。 Ion beams are several centimeters in diameter when they leave the acceleration stage and must be focused to a few millimeters to pass through an entrance aperture to the gaseous target. The axial distance to which the beam is focused to its minimum diameter depends on the current in the focusing solenoid. A variety of adjustable focusing mechanisms may also be used, including electrostatic or magnetic quadrupole multiplets or permanent magnet/electromagnet hybrids.

いくつかの実施形態では、イオンビームは、ビームの中心軸がガス標的開口上で心合されるように、交差した一対の双極子電磁石(「操向」磁石)内の電流を変動させ、プラズマ源とガス状標的との間の長いビーム輸送距離にわたってビームライン構成要素の整合の機械的公差に起因する角度偏差の累積を補償することによって、2つの直交方向へ側方に偏向される。 In some embodiments, the ion beam is laterally deflected in two orthogonal directions by varying the current in a pair of crossed dipole electromagnets ("steering" magnets) so that the central axis of the beam is centered over the gas target aperture, compensating for the accumulation of angular deviations due to mechanical tolerances in the alignment of beamline components over the long beam transport distance between the plasma source and the gaseous target.

標的開口上のイオンビーム電力の分布を感知し、情報を使用して、開口を通したイオンビームの集束および操向を能動的に制御するためのシステムが、本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、これは、開口の軸の周りに90度の間隔で等しく間隔を置かれる、ガス状標的開口の上流に面した表面の近傍に埋め込まれた四象限熱計装を用いて遂行される。例示的実装は、各熱電対の銅脚部としての役割も果たし得る、銅標的開口内の銅コンスタンタン熱電対を使用する、または銅ワイヤが、別個に引き出され得る。他の実施形態は、白金抵抗温度検出器(RTD)、サーミスタ、または半導体温度センサを使用する。 Provided herein is a system for sensing the distribution of ion beam power over a target aperture and using the information to actively control the focusing and steering of the ion beam through the aperture. In some embodiments, this is accomplished with four-quadrant thermal instrumentation embedded near the upstream-facing surface of the gaseous target aperture, equally spaced at 90 degree intervals around the axis of the aperture. An exemplary implementation uses copper constantan thermocouples in a copper target aperture, which may also serve as the copper legs of each thermocouple, or copper wires may be separately led out. Other embodiments use platinum resistance temperature detectors (RTDs), thermistors, or semiconductor temperature sensors.

四象限温度信号は、イオンビーム集束を維持するために使用される、平均標的開口温度を提供するように合計される。集束ソレノイド内の電流を調節し、標的開口の温度を最小化することは、ビーム電圧もしくは電流変動に起因する、または熱膨張もしくは機械応力に起因する全体的なビームラインの偏向もしくは歪曲に起因する、わずかな摂動に対して最良の集束を維持する。 The four quadrant temperature signals are summed to provide an average target aperture temperature, which is used to maintain ion beam focusing. Adjusting the current in the focusing solenoid and minimizing the target aperture temperature maintains the best focusing against small perturbations due to beam voltage or current fluctuations, or due to overall beamline deflection or distortion due to thermal expansion or mechanical stresses.

本実装では、センサは、それに向かって操向双極子磁石がビームを側方に偏向させる位置において標的開口を通過するビームの軸の周りに配列される。第1の一対の正反対の温度センサの間の温度差が、ガス標的開口の中心でもある、一対の中の2つのセンサの間のビームの心合を維持するために使用される。したがって、第1の磁石内の電流は、磁石がイオンビームを偏向させる方向に対応する、第1の一対のセンサの間の温度差を最小化するように変動され得る。第2の一対の正反対のセンサの間の差、および第2の操向双極子磁石内の電流の対応する変動が、第1の一対のセンサに直交する方向へビームを心合するために使用され得る。図20は、システムの例示的実施形態を示す。上側パネルは、標的開口上の熱電対測定点の位置を示す。下側パネルは、ビームおよび双極子操向磁石との関連で本構成要素を示す。 In this implementation, the sensors are arranged around the axis of the beam passing through the target aperture at the location towards which the steering dipole magnet deflects the beam laterally. The temperature difference between the first pair of diametrically opposed temperature sensors is used to maintain beam alignment between the two sensors in the pair, which is also the center of the gas target aperture. Thus, the current in the first magnet can be varied to minimize the temperature difference between the first pair of sensors, which corresponds to the direction in which the magnet deflects the ion beam. The difference between the second pair of diametrically opposed sensors, and the corresponding variation of the current in the second steering dipole magnet, can be used to center the beam in a direction orthogonal to the first pair of sensors. Figure 20 shows an exemplary embodiment of the system. The top panel shows the location of the thermocouple measurement points on the target aperture. The bottom panel shows the components in relation to the beam and the dipole steering magnet.

(D.逆ガス噴射)
ガス状標的中性子発生器では、エネルギーが無駄にされず、中性子が効果的に使用されることができない面積中でそれらを生成するように、ビームが可能な限り小さい距離で完全に停止し、標的の直前の圧力が可能な限り低くあるべきであるように、標的内の圧力は、可能な限り高くあるべきである。
D. Reverse Gas Injection
In a gaseous target neutron generator, the pressure in the target should be as high as possible so that the beam stops completely at the smallest possible distance and the pressure just before the target should be as low as possible so that energy is not wasted and the neutrons are produced in an area where they cannot be used effectively.

最終開口を横断する圧力差を増加させるための構成要素が、本明細書で提供される。特に、最終開口を横断する圧力差の増加を生じさせるための逆ガス噴射が、本明細書で提供される。逆ガス噴射の例示的構成が、図21に示される。 Components are provided herein for increasing the pressure differential across the final opening. In particular, a reverse gas jet is provided herein for creating an increased pressure differential across the final opening. An exemplary configuration of a reverse gas jet is shown in FIG. 21.

モデル化が、標的開口を横断する圧力差を増加させるであろう、ノズルの幾何学形状を生成するために、計算的流体動態(CFD)プログラムを用いて行われた。初期試行は、着目圧力において全く稼働しなかった、収束した後に広がらないノズルを使用した。狭径部間隙、ノズル角度、ノズル長、およびプレナム内の圧力等の側面が、変動された。プレナム圧力は、常に、ガス漏出およびガス保有量が最小値に保たれるように、大気圧を下回って保たれた。有意な努力の後、図21に示されるような構成が、開発され、所望の圧力差を提供した。 Modeling was done using a computational fluid dynamics (CFD) program to generate nozzle geometries that would increase the pressure differential across the target aperture. Initial trials used nozzles that did not diverge after converging, which did not work at all at the pressures of interest. Aspects such as narrowing gap, nozzle angle, nozzle length, and pressure in the plenum were varied. Plenum pressure was always kept below atmospheric pressure so that gas leakage and gas retention were kept to a minimum. After significant effort, a configuration as shown in FIG. 21 was developed that provided the desired pressure differential.

ガス噴射ノズルが周囲に位置する開口は、開口を通過する際のビームのサイズ等の他の要件に基づいて、3/8インチであるように選定された(但し、他の寸法も採用され得る)。本穴直径において、ガス噴射を駆動するために使用されることが所望されたポンプのタイプを用いると、0.01インチ未満の狭径部間隙が、圧力降下を、超音速流を引き起こすために十分に高く保つために十分であった。12.5度の平均ノズル角度が、パラメータ研究を用いて最適であることが見出された。 The aperture around which the gas jet nozzle sits was chosen to be 3/8 inch (although other dimensions could be used) based on other considerations such as the size of the beam as it passes through the aperture. With this aperture diameter and the type of pump desired to be used to drive the gas jet, a narrowing gap of less than 0.01 inch was sufficient to keep the pressure drop high enough to induce supersonic flow. A mean nozzle angle of 12.5 degrees was found to be optimal using parametric studies.

(E.ビームスクレーパ)
いくつかのシステムでは、ビームの恣意的な部分を遮断し得る、ビームの経路の中に固体標的を挿入する機構が、ある時は、標的に送達される全電流を精密に制御するために望ましい。そのようなビームスクレーパはまた、全体的なシステムの最適化中に有用な情報である、ビームプロファイルを決定するために使用されることもできる。
(E. Beam scraper)
In some systems, a mechanism for inserting a solid target into the path of the beam, which can block arbitrary portions of the beam, is sometimes desirable to precisely control the total current delivered to the target. Such beam scrapers can also be used to determine the beam profile, which is useful information during optimization of the overall system.

いくつかの実施形態では、固体標的が、レール特徴に添着され、モータによって駆動される長いねじで構成される線形アクチュエータによって、そのレールに沿って移動させられる。ソフトウェアは、リアルタイムで「ホーム」および「限定」スイッチを用いてレールに沿った標的の位置を測定し、システムからのフィードバックに基づいて位置を調節する。 In some embodiments, a solid target is attached to a rail feature and moved along the rail by a linear actuator consisting of a long screw driven by a motor. The software measures the target's position along the rail in real time using "home" and "limit" switches and adjusts the position based on feedback from the system.

初期アプローチは、真空の内側にねじを有した回転運動フィードスルーを使用した。しかしながら、これは、潤滑剤選択が困難である、真空内の摩耗を防止すること、ならびに緊密な4分の1において複数のシャフトをともに結合することを要求した。さらに、真空チャンバは、はるかに大型かつ高価であった。 Early approaches used rotary feedthroughs with threads inside the vacuum. However, this required difficult lubricant selection, preventing wear in the vacuum, as well as coupling multiple shafts together in tight quarters. Additionally, the vacuum chambers were much larger and more expensive.

代替アプローチの試行も、成功した。線形アクチュエータのためのモータは、熱を生成するため、冷却のために空気を使用するように、真空容器の外側に搭載される。これは、線形真空フィードスルーの使用を要求した。殆どの直線運動真空フィードスルーがベローズ密閉型であるため、それらは、ベローズに印加される真空力のバランスを保つための力を要求し、したがって、モータにより多くの歪みを加え、これらの力を克服する。ベローズ密閉型フィードスルーはまた、それらが故障するまで耐えることができる、限定された数の圧縮サイクルも有する。これらの理由により、磁気的に結合されたフィードスルーが、これらの問題のうちのいずれも有していないため、より望ましい。 An alternative approach has also been attempted with success. The motors for the linear actuators are mounted outside the vacuum vessel, generating heat and using air for cooling. This required the use of linear vacuum feedthroughs. Because most linear motion vacuum feedthroughs are bellows sealed, they require forces to balance the vacuum forces applied to the bellows, thus putting more strain on the motor to overcome these forces. Bellows sealed feedthroughs also have a limited number of compression cycles that they can withstand before failing. For these reasons, magnetically coupled feedthroughs are more desirable, as they do not have any of these problems.

また、真空システムにおける水漏出の負の結果に起因して、いくつかの実施形態では、全金属ホースおよび継手が、使用され、ろう付けが、標的全体を製造するために使用される。これは、金属自体が故障することなく、漏出が可能ではないことを確実にする。標的はまた、レール、支持構造、または管類を含む、標的の部品が、完全に後退されるときにビームの経路内に存在しないように、設計されるべきである。 Also, due to the negative consequences of water leaks in vacuum systems, in some embodiments, all-metal hoses and fittings are used and brazing is used to manufacture the entire target. This ensures that leaks are not possible without the metal itself failing. The target should also be designed so that no parts of the target, including rails, support structures, or tubing, are in the path of the beam when fully retracted.

図22は、ビームスクレーパの例示的構成を提供する。モータおよび磁気結合は、真空境界の外側に示される。標的および関連付けられる水ホースは、真空境界の内側に示される。固体標的は、直径が6インチよりも小さいビーム上で使用される。完全に後退されたとき、ビームに最も近い部品は、通常、延長されるときにビームによって衝打される標的の面であり、その縁は、ビームの中心線から3インチを上回って離れている。 Figure 22 provides an example configuration of a beam scraper. The motor and magnetic coupling are shown outside the vacuum boundary. The target and associated water hose are shown inside the vacuum boundary. Solid targets are used on beams smaller than 6 inches in diameter. When fully retracted, the part closest to the beam is usually the face of the target that is struck by the beam when extended, and its edge is more than 3 inches away from the centerline of the beam.

代替実施形態は、標的を直線的に平行移動させる代わりに、ビーム経路に向かって方向を変えるように、ヒンジ上に固体標的を搭載することを伴う。本アプローチは、完全に閉鎖されるまで標的上の電力密度を減少させ、空間要件を低減させ、より単純かつ安価なフィードスルー設計を可能にする。トレードオフとして、管類は、本構成のために実装することがより困難な場合がある。本アプローチは、通常閉/開構成を可能にし、より速い閉/開時間を有するように考慮される。 An alternative embodiment involves mounting a solid target on a hinge so that it is redirected towards the beam path instead of translating linearly. This approach reduces the power density on the target until fully closed, reduces space requirements, and allows for simpler and less expensive feedthrough designs. As a tradeoff, tubing may be more difficult to implement for this configuration. This approach allows for a normal close/open configuration and is considered to have faster close/open times.

主要標的に到達する軸対称ビームを要求するシステムの代替物は、虹彩タイプビームスクレーパを伴う。 An alternative to systems requiring an axially symmetric beam to reach the primary target involves an iris type beam scraper.

(V.自動制御システム)
いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、1つ以上の自動制御構成要素を採用する。そのような自動制御構成要素は、限定されないが、光ファイバインターロック、健全性監視システム、およびアーク放電事象後の自動復旧システム、ならびにビーム安定性を管理するための閉ループ制御を含む。
(V. Automatic Control Systems)
In some embodiments, the systems and methods employ one or more automatic control components, including, but not limited to, optical fiber interlocks, health monitoring systems, and automatic recovery systems after arcing events, as well as closed loop controls to manage beam stability.

(A.光ファイバインターロック)
高エネルギーイオンビーム発生器は、1つ以上の、典型的には、いくつかの高電圧源を組み込む。安全性の理由により、ユーザ/コントローラステーションは、デバイス/システムの他の部分から電気的に分離されるべきであり、その上、ユーザステーションをデバイス/システムの他の部分のインターロックシステムに接続するための構成要素が、存在するべきである。
これは、安全性と動作性との間の有意な対立を生成する。2つのサブシステムの間の電気的分離を提供するための絶縁変圧器の使用等のアプローチは、最大数万ボルトの電圧の存在により、技術的または経済的に実用的ではない。
(A. Optical Fiber Interlock)
High energy ion beam generators incorporate one or more, typically several, high voltage sources. For safety reasons, the user/controller station should be electrically isolated from the rest of the device/system, and furthermore, components should exist to connect the user station to the interlock system of the other parts of the device/system.
This creates a significant conflict between safety and operability: approaches such as the use of isolation transformers to provide electrical isolation between the two subsystems are not technically or economically practical due to the presence of voltages up to tens of thousands of volts.

インターロックは、1つの機器が動作するために安全であることを示すために閉鎖されたままでなければならない、直列のいくつかの通常閉スイッチ、または1つの機器が動作するために安全であることを示すために開放したままでなければならない、並列のいくつかの通常開スイッチ、もしくは直列および並列ループの両方を備えている。 The interlock may consist of several normally closed switches in series that must remain closed to indicate that one piece of equipment is safe to operate, or several normally open switches in parallel that must remain open to indicate that one piece of equipment is safe to operate, or both series and parallel loops.

いくつかの実施形態では、安全性と動作性との間の対立は、デバイスのインターロックシステムとユーザステーションのインターロックとの間で光ファイバ接続を採用することによって、解決される。これは、必要とされる電気的分離を提供する。偶然の迂回に影響されない堅調な接続を提供するために、いくつかの実施形態では、周波数発生器が、下記で詳述されるように、光ファイバインターロックの中に含まれる。いくつかの実施形態では、多重信号検証プロシージャもまた、単一障害点を伴って偽閉鎖結果を生成することからシステムを保護するために実装される。 In some embodiments, the conflict between safety and operability is resolved by employing a fiber optic connection between the device's interlock system and the user station's interlock. This provides the required electrical isolation. To provide a robust connection that is not susceptible to accidental bypass, in some embodiments a frequency generator is included within the fiber optic interlock, as detailed below. In some embodiments, a multiple signal verification procedure is also implemented to protect the system from single points of failure producing false closure results.

課題に対処するための第1の試行は、ユーザステーションのインターロックが閉鎖されたときに光を生成した、光ファイバ伝送機を伴った。本方法は、ユーザステーションのインターロック閉鎖信号が、インターロック列内の早期のいかなる構成要素にも依存していなかったため、ユーザステーションを適切に含まなかったため、満足のいくものではなかった。 The first attempt to address the problem involved a fiber optic transmitter that generated a light when a user station interlock was closed. This method was unsatisfactory because the user station interlock closed signal did not depend on any earlier components in the interlock train and therefore did not properly contain the user station.

第1の実装に関する問題を解決するために、双方向リンクが配設された。上流インターロックスイッチが閉鎖されるとき、光が、光ファイバケーブルを通してユーザステーションに透過される。光は、ユーザステーションにおいてインターロックスイッチを通過する電圧信号に変換される。いったんデバイスからの光信号が存在し、ユーザステーションスイッチが全て「安全」位置に来ると、光は、デバイスに戻るように透過され、したがって、インターロックループを閉鎖する。本解決策によって提示される問題は、デバイス上で伝送機および受信機を単純に接続し、したがって、ユーザステーション内のインターロックスイッチの状態にかかわらず、ループを閉鎖することによって、ユーザステーションインターロックデバイスを迂回することが単純であることであった。 To solve the problems with the first implementation, a bidirectional link was provided. When the upstream interlock switch is closed, light is transmitted through the fiber optic cable to the user station. The light is converted to a voltage signal that passes through the interlock switch at the user station. Once there is a light signal from the device and the user station switches are all in the "safe" position, the light is transmitted back to the device, thus closing the interlock loop. The problem presented by this solution was that it was simple to bypass the user station interlock device by simply connecting the transmitter and receiver on the device, thus closing the loop regardless of the state of the interlock switch in the user station.

光ファイバインターロック信号は、インターロックシステムを迂回することをより困難にするために、周波数依存性にされた。小型周波数発生器が、光ファイバ伝送機をトリガし、光を設定された周波数においてパルス化させる。受信機は、それが検出している光パルスの周波数に敏感であるように構成され、適切な周波数が存在しない場合、受信機は、インターロックが安全であることを示さない。 The fiber optic interlock signal has been made frequency dependent to make it more difficult to circumvent the interlock system. A small frequency generator triggers the fiber optic transmitter, causing the light to pulse at a set frequency. The receiver is configured to be sensitive to the frequency of the light pulse it is detecting, and if the proper frequency is not present, the receiver will not indicate that the interlock is secure.

さらに、単一のデバイスが複数の光ファイバインターロックを利用することを可能にするために、適切なツールを用いて、4つの異なる周波数のうちのいずれか1つが選択され得るように、プリント回路基板(PCB)が、構成された。これはまた、受信のために使用するものとは異なる伝送のための周波数を使用するための単一の双方向リンクも可能にし、したがって、インターロック信号の完全性を迂回する方法の障害を留保する。 Furthermore, to allow a single device to utilize multiple fiber optic interlocks, a printed circuit board (PCB) was constructed so that, with the appropriate tooling, any one of four different frequencies could be selected. This also allows a single bidirectional link to use a different frequency for transmission than that used for reception, thus reserving any obstacles in the way of bypassing the integrity of the interlock signal.

図23は、システムとともに採用され得る、光ファイバインターロックシステムの例示的ブロック図を示す。光ファイバ伝送が、インターロック回路の電気的に分離された部分を介して、伝送機と受信機との間で行われる。伝送機は、標準銅インターロックからの入力を採用してもよい。これは、N/O(通常開)もしくはN/C(通常閉)スイッチを伴う単一のループ、または各タイプの1つを伴うダブルループに適応することができる。全てのインターロックスイッチが正しい位置にあるとき、電圧基準が存在するようになる。電圧基準が存在するとき、電圧は、選択可能なレベルまでスケーリングされる。周波数変換器は、スケーリングされた電圧に比例する周波数を生成する。光ファイバ駆動回路は、選択された周波数においてユーザステーションへの光ファイバ出力をパルス化する。 Figure 23 shows an example block diagram of a fiber optic interlock system that may be employed with the system. Fiber optic transmission occurs between the transmitter and receiver through electrically isolated portions of the interlock circuit. The transmitter may employ an input from a standard copper interlock. This can accommodate a single loop with N/O (normally open) or N/C (normally closed) switches, or a double loop with one of each type. When all interlock switches are in the correct position, a voltage reference exists. When the voltage reference exists, the voltage is scaled to a selectable level. A frequency converter generates a frequency proportional to the scaled voltage. A fiber optic driver pulses the fiber optic output to the user station at the selected frequency.

受信側において、光ファイバ受信機は、光ファイバパルスを同一の周波数の電圧方形波に変換する。いくつかの実施形態では、周波数・電圧変換器は、光ファイバ伝送を通して受信される周波数を取り込み、それを元の参照電圧に戻るように変換する。ウィンドウコンパレータが、適切な周波数が受信されていることを検証する。コンパレータが、受信された周波数が正しいことを検証するとき、ドライバ回路は、1つまたは複数の局所配線インターロックループに統合されるように、一対のN/O接点を閉鎖し、一対のN/C接点を開放する。N/Cループ、N/Oループ、または両方に適応することが可能な局所インターロック列への出力が、行われる。いくつかの実施形態では、欠落パルス検出器回路は、パルス列が光ファイバ信号から欠落しているとき、二次検出源を提供する。立ち上がりおよび立ち下がりエッジが、予期される間隔に存在することが独立して検証されるとき、ドライバ回路は、局所配線インターロック回路に統合されるように、一対のN/O接点を閉鎖し、一対のN/C接点を開放する。N/Cループ、N/Oループ、または両方に適応することが可能な局所インターロック列への出力が、行われる。いくつかの実施形態では、第2の周波数・電圧変換器は、光ファイバ伝送を通して受信される周波数を取り込み、それを元の参照電圧に戻るように変換する。次いで、バッファステージが、正しい周波数の伝送が受信されているというソフトウェア検証として使用されるように、アナログ信号をコントローラに送信する。本構成要素は、技術的および経済的に実用的なまま、システム安全性を所望のレベルまで増加させる。 At the receiving end, a fiber optic receiver converts the fiber optic pulses to a voltage square wave of the same frequency. In some embodiments, a frequency-to-voltage converter takes the frequency received through the fiber optic transmission and converts it back to the original reference voltage. A window comparator verifies that the proper frequency is being received. When the comparator verifies that the received frequency is correct, a driver circuit closes a pair of N/O contacts and opens a pair of N/C contacts for integration into one or more local wiring interlock loops. An output is provided to a local interlock train that can accommodate an N/C loop, an N/O loop, or both. In some embodiments, a missing pulse detector circuit provides a secondary source of detection when a pulse train is missing from the fiber optic signal. When the rising and falling edges are independently verified to be present at the expected intervals, a driver circuit closes a pair of N/O contacts and opens a pair of N/C contacts for integration into a local wiring interlock circuit. An output is provided to a local interlock train that can accommodate an N/C loop, an N/O loop, or both. In some embodiments, a second frequency-to-voltage converter takes the frequency received through the fiber optic transmission and converts it back to the original reference voltage. A buffer stage then sends an analog signal to the controller to be used as software verification that the correct frequency transmission is being received. This component increases system safety to a desired level while remaining technically and economically practical.

(B.健全性監視)ビームによって搬送される高い電力を考慮すると、それがシステムの構成要素に熱損傷を引き起こさないことを確実にすることが重要である。損傷は、非正常状況でシステム構成要素と相互作用するビームによって引き起こされ得る。異なる保護方式が、各構成要素上に堆積され得るエネルギー密度に応じて実装されるように、具体的材料選択および冷却機構が、ビームと相互作用し得る構成要素のために実装されている。 (B. Health Monitoring) Considering the high power carried by the beam, it is important to ensure that it does not cause thermal damage to the system's components. Damage can be caused by the beam interacting with the system components in non-normal situations. Specific material selection and cooling mechanisms are implemented for components that may interact with the beam so that different protection schemes are implemented depending on the energy density that may be deposited on each component.

いくつかの実施形態では、計装および複数のセンサが、温度および冷却水流率を測定するためにシステムに統合される。これらの測定は、種々の冷却されたシステム構成要素上に堆積されている電力の量を監視することを可能にする。最小流率、最大温度、および最大電力の閾値の組み合わせは、システムハードウェアの保護を可能にする。これらの値は、ビームとの相互作用によって損傷される場合がある全ての構成要素を網羅するセンサによって、連続的に監視される。いくつかの実施形態では、各センサは、それを上回るまたは下回るとアラームが作動される、構成可能なレベルを有し、自動制御システムアクションを引き起こし、安全な動作に介入して確実にし、損傷を最小化する、または防止する。 In some embodiments, instrumentation and multiple sensors are integrated into the system to measure temperature and cooling water flow rates. These measurements allow for monitoring the amount of power being deposited on the various cooled system components. A combination of minimum flow rate, maximum temperature, and maximum power thresholds allows for protection of the system hardware. These values are continuously monitored by sensors covering all components that may be damaged by interaction with the beam. In some embodiments, each sensor has a configurable level above or below which an alarm is activated, triggering automatic control system action to intervene and ensure safe operation and minimize or prevent damage.

いくつかの実施形態では、液体レベルのためのセンサが、安全な動作のために要求される中性子減速材の存在を測定するためのシステムに統合される。いくつかの実施形態では、複数のセンサからの信号の組み合わせが、安全なパラメータ内の動作、例えば、電圧引き込みおよび電流を決定し、磁気コイル内の抵抗を決定するために、ともに使用される。 In some embodiments, sensors for liquid level are integrated into the system to measure the presence of neutron moderator required for safe operation. In some embodiments, a combination of signals from multiple sensors are used together to determine operation within safe parameters, e.g., voltage draw and current, and to determine resistance in the magnetic coils.

いくつかの実施形態では、構成要素からのフィードバック信号は、所望の安全範囲内の動作、例えば、ターボ分子ポンプおよび強制空気冷却ファン上の電力引き込みを確実にするように監視される。 In some embodiments, feedback signals from components are monitored to ensure operation within desired safety limits, e.g., power draw on turbomolecular pumps and forced air cooling fans.

いくつかの実施形態では、高電圧電力供給源、ガス流コントローラ、およびマグネトロン電力供給源等の統合構成要素からのフィードバック信号が、監視され、それらの出力が、安全な動作を決定するように、期待設定値と比較される。 In some embodiments, feedback signals from integrated components such as the high voltage power supply, gas flow controller, and magnetron power supply are monitored and their outputs compared to expected set points to determine safe operation.

いくつかの実施形態では、統合構成要素は、制御アルゴリズムによって危険な設定値に設定されないように防止され、例えば、システムが、マイクロ波が安全に動作され得る状態ではないとき、ユーザがマイクロ波発生器に命令することを防止する。別の実施例は、システムのいずれの部分もビームを安全に輸送する、または受け入れる状態ではないとき、ビーム動作を防止することである。 In some embodiments, integrated components are prevented from being set to unsafe set points by the control algorithm, for example, to prevent a user from commanding a microwave generator when the system is not in a state where microwaves can be safely operated. Another example is to prevent beam operation when no part of the system is in a state to safely transport or accept a beam.

いくつかの実施形態では、健全性監視システムは、「アラート」および「アラーム」を両方とも有する。センサは、信号が正常動作値から逸脱する場合、「アラート」条件をシグナリングし、警告インジケータをユーザに表示するように構成可能である。規模がより大きい偏差は、「アラーム」をトリガし、条件への自動制御システム応答をもたらす。いくつかの実施形態では、「アラーム」は、ラッチ様式で作用し、アラームステータスを除去するために、制御システムから条件をリセットするようにユーザに要求する。 In some embodiments, the health monitoring system has both "alerts" and "alarms." Sensors can be configured to signal an "alert" condition and display a warning indicator to the user if the signal deviates from normal operating values. Deviations of greater magnitude trigger an "alarm," resulting in an automated control system response to the condition. In some embodiments, an "alarm" acts in a latching fashion, requiring the user to reset the condition from the control system to remove the alarm status.

粒子加速器上の健全性監視を用いると遭遇される課題のうちの1つは、アラームの不要な作動を引き起こす、短命の過渡電流に起因する誤検出を除外することである。高電圧システムは、本質的に、電磁パルス(EMP)、したがって、電磁干渉(EMI)を生成する。アナログ電圧信号を使用して制御システムに伝送される、センサおよび構成要素データは、EMIピックアップの影響を受けやすくあり得る。いくつかの実施形態では、未加工信号データは、EMIを除外し、不要な作動を防止するように処理される。いくつかの実施形態では、アラームは、個々の信号の持続時間がEMIピックアップのために特徴的であるよりも長くなるまで、トリガされない。一実施例では、単一の過渡電流は、アラームを作動させることに先立って、75ミリ秒を超えなければならない。加えて、いくつかの実施形態では、システムは、複数のEMIピックアップ事象がある期間内に起こる場合、作動するように構成される。一実施例では、3秒の時間窓内の5つの過渡的事象が、アラームの無効な作動と見なされる。いくつかの実施形態では、いずれか一方の事象が起こるときにアラームが作動されるように、特徴的EMIピックアップよりも長く持続する単一事象およびある期間内に起こる複数の事象の両方が、ともに分析される。EMI事象を数え、それらを経時的に追跡するが、個々のEMI事象上でアラームを作動させないことの本組み合わせは、信頼性のある連続的動作を可能にする。 One of the challenges encountered with health monitoring on particle accelerators is to filter out false positives due to short-lived transients that cause unnecessary activation of an alarm. High voltage systems inherently generate electromagnetic pulses (EMPs) and therefore electromagnetic interference (EMI). Sensor and component data, transmitted to the control system using analog voltage signals, can be susceptible to EMI pickup. In some embodiments, the raw signal data is processed to filter out EMI and prevent unnecessary activation. In some embodiments, an alarm is not triggered until the duration of an individual signal is longer than is characteristic for EMI pickup. In one example, a single transient must exceed 75 milliseconds prior to activating the alarm. Additionally, in some embodiments, the system is configured to activate if multiple EMI pickup events occur within a certain period of time. In one example, five transient events within a three second time window are considered an invalid activation of the alarm. In some embodiments, both a single event lasting longer than the characteristic EMI pickup and multiple events occurring within a period of time are analyzed together, such that an alarm is activated when either event occurs. This combination of counting EMI events and tracking them over time, but not activating alarms on individual EMI events, allows for reliable continuous operation.

制御システムから「アラーム」への自動応答は、安全なシャットダウンまたは自動復旧であることができる。安全なシャットダウンは、例えば、制御システムが加速器を自動的にオフにし、構成要素を安全な状態にするときである。自動普及は、例えば、制御システムが規定の一連のことを講じ、システムを正常な動作に戻すときである。 An automatic response from a control system to an "alarm" can be a safe shutdown or an automatic recovery. A safe shutdown is, for example, when the control system automatically turns off the accelerator and places the components in a safe state. An automatic recovery is, for example, when the control system takes a prescribed course of action to return the system to normal operation.

(C.自動復旧)
電流が高電圧点から望ましくない経路を通して接地までの経路を見出す、時折の「アークダウン」事象は、高電圧加速器内で完全に回避可能ではない。システムがアークダウン後に望ましくない状態に留まらないように防止することは、最初に、制御システムへのユーザインターフェースに向き、常に作用する準備ができているように、訓練されたユーザに要求した。これは、リソース集約的である。アークダウンからの復旧は、オフにされ、次いで、復旧シーケンスの一部として、ある構成要素上に障害除去を伴うあるシーケンスでオンに戻されるように、いくつかの構成要素に要求した。
(C. Automatic Recovery)
Occasional "arc-down" events, where current finds a path from a high voltage point through an undesirable path to ground, are not completely avoidable in high voltage accelerators. Preventing the system from remaining in an undesirable state after an arc-down first required trained users to face the user interface to the control system and be ready to act at all times, which is resource intensive. Recovery from an arc-down required several components to be turned off and then back on in a sequence with fault removal on some components as part of the recovery sequence.

上記の第V(B)節に説明される健全性監視システムの拡張として、ある「アラーム」条件が、アークダウン事象が起こったことを示すために使用される。自動復旧シーケンスが、次いで、ユーザ介入を伴わずに、人間のユーザよりもはるかに迅速に、システムを動作に戻すように実行される。拡張連続起動中に、本特徴は、約95%から98%を上回るまでシステムの有効稼働時間を増加させた。 As an extension of the health monitoring system described in Section V(B) above, an "alarm" condition is used to indicate that an arc-down event has occurred. An automatic recovery sequence is then executed to return the system to operation without user intervention, much more quickly than a human user. During extended continuous startup, this feature has increased the effective uptime of the system from approximately 95% to over 98%.

いくつかの実施形態では、ある条件が、自動復旧に関してシステムにおいてフラグを付けられる一方で、他の条件は、人間の介入に関してフラグを付けられる。高電圧電力供給源(hvps)上のアークダウン事象からの自動復旧の実施例である。hvpsアークダウン事象は、hvpsおよび/または抽出電力供給源上の電圧不足アラームによって識別される。故障条件の検出後、以下のこと、すなわち、閉ループフィードバックを無効にすること、マグネトロン電力供給源を無効にすること、システム故障を取り除くこと、hvpsをリセットすること、抽出電力供給源を有効にすること、マグネトロン電力供給源を有効にすること、および最終的に閉ループ制御を再び有効にすることを含む、自動復旧シーケンスが、実行される。自動復旧シーケンスを有するものとして識別されていない、任意の故障が、自動シャットダウンシーケンスをトリガする。自動シャットダウンシーケンスは、安全なシーケンスにおいて各構成要素を無効にするためのことを含む。安全なシャットダウンシーケンスの実施例は、以下のこと、すなわち、閉ループ制御を無効にすること、マグネトロン電力供給源を無効にすること、全てのガス流コントローラおよび電力供給源を無効にすることを含む。 In some embodiments, certain conditions are flagged in the system for automatic recovery while other conditions are flagged for human intervention. Example of automatic recovery from an arc down event on a high voltage power supply (hvps). An hvps arc down event is identified by an under voltage alarm on the hvps and/or the extraction power supply. After detection of a fault condition, an automatic recovery sequence is executed that includes disabling closed loop feedback, disabling the magnetron power supply, clearing the system fault, resetting the hvps, enabling the extraction power supply, enabling the magnetron power supply, and finally re-enabling closed loop control. Any fault that is not identified as having an automatic recovery sequence triggers an automatic shutdown sequence. The automatic shutdown sequence includes disabling each component in a safe sequence. An example of a safe shutdown sequence includes disabling closed loop control, disabling the magnetron power supply, disabling all gas flow controllers and power supplies.

いくつかの実施形態では、復旧シーケンスが時間窓内で構成可能な回数(例えば、10秒の期間内で3回の復旧試行)を上回って実行される場合、制御システムは、復旧シーケンスではなく安全なシャットダウンを実行する。 In some embodiments, if the recovery sequence is performed more than a configurable number of times within the time window (e.g., 3 recovery attempts within a 10 second period), the control system performs a graceful shutdown rather than a recovery sequence.

加速器のための制御システムは、高電圧における構成要素、接地電圧における構成要素を監視し、人間の相互作用のためのユーザインターフェースに接続することに責任がある。いくつかの実施形態では、異なる場所の間の通信が、電気的分離を維持するために、光ファイバ接続にわたって実施される。いくつかの実施形態では、主要システムコントローラは、高電圧およびイオン源マイクロ波電力供給源に直接接続され、これらの構成要素を安全な状態に決定的に設定することができる。構成要素の複数の場所および場所の間の非決定性通信プロトコル(Ethernet(登録商標)、TCP/IP)が存在するため、ウォッチドッグアーキテクチャが、コネクティビティを監視するために使用される。接続の損失の場合において、システムは、安全な状態に自動的かつ決定的に遷移する。 The control system for the accelerator is responsible for monitoring the components at high voltage, the components at ground voltage, and connecting to a user interface for human interaction. In some embodiments, communication between the different locations is carried out over fiber optic connections to maintain electrical isolation. In some embodiments, the main system controller is directly connected to the high voltage and ion source microwave power supplies and can deterministically set these components to a safe state. Because there are multiple locations of components and non-deterministic communication protocols between the locations (Ethernet, TCP/IP), a watchdog architecture is used to monitor connectivity. In the event of loss of connectivity, the system automatically and deterministically transitions to a safe state.

通信プロトコルの非決定的性質に起因して、ある量の通信逸失が予期される。随時、ウォッチドッグのリセットは、遅れ得る。いくつかの実施形態では、規則が、コネクティビティおよびウォッチドッグのリセットが遅れ得る程度をウォッチドッグがチェックする頻度に基づいて、構成される。本構成可能性は、ウォッチドッグがシステムに安全な状態を伝える、誤検出を低減させる。 Due to the non-deterministic nature of the communication protocol, some amount of communication loss is expected. From time to time, the watchdog reset may be delayed. In some embodiments, rules are configured based on how often the watchdog checks connectivity and the extent to which the watchdog reset may be delayed. This configurability reduces false positives, where the watchdog communicates a safe state to the system.

(D.ビーム安定性のための閉ループ制御)
中性子発生器の特定の用途は、束設定値の1%最大振幅内で維持されるように中性子束出力に要求し、束設定値は、約5桁にわたる変数である。熟練のオペレータによる開ループ制御は、システム動態に影響を及ぼす複数の変数に起因して、束出力が要求される正確度内に留まることを確実にするためには不十分である。
D. Closed Loop Control for Beam Stability
Certain applications of neutron generators require the neutron flux output to be maintained within 1% maximum amplitude of the flux set point, a value that varies over approximately 5 orders of magnitude. Open loop control by a skilled operator is insufficient to ensure that the flux output remains within the required accuracy due to the multiple variables that affect the system dynamics.

高電圧電力供給源(HVPS)設定値またはビームスクレーパ位置のいずれかの閉ループ制御は、束出力の改良された正確度、および熱変動または標的搭載および信号雑音等の物理的変動を補償する能力を実証した。HVPS設定値の制御は、測定された束出力において、より速い動的応答を提供する。閉ループ制御は、経時的に中性子束出力の安定性の可視的かつ測定可能な改良を生じさせた。これはまた、高エネルギーイオンビーム発生器制御システムとのオペレータ相互作用を低減させ、ひいては、オペレータエラーの潜在性を低減させる。 Closed-loop control of either the High Voltage Power Supply (HVPS) setpoint or the beam scraper position demonstrated improved accuracy of the flux output and the ability to compensate for physical variations such as thermal variations or target loading and signal noise. Control of the HVPS setpoint provides a faster dynamic response in the measured flux output. Closed-loop control produced a visible and measurable improvement in the stability of the neutron flux output over time. This also reduces operator interaction with the High Energy Ion Beam Generator control system, thus reducing the potential for operator error.

開ループ制御が、初期中性子束設定値までシステムを引き上げるために使用され、その後、閉ループ制御が、アクティブ化される。制御利得が、選択された中性子束設定値に基づいて決定され、より小さい動作エンベロープにわたって閉ループ制御を確実にする。閉ループ制御がアクティブである間に、追加の限界が、所与の中性子束設定値のための最大および最小HVPS設定値の形態で、制御権限に加えられる。 Open loop control is used to bring the system up to an initial neutron flux setpoint, after which closed loop control is activated. Control gains are determined based on the selected neutron flux setpoint to ensure closed loop control over a smaller operating envelope. While closed loop control is active, additional limits are added to the control authority in the form of maximum and minimum HVPS setpoints for a given neutron flux setpoint.

中性子発生器の物理は、機械動作体制にわたって考慮されるときに非線形であり、5桁の中性子出力を包含する。円形ビームの一部が通過することを可能にする、円形ビームが直線縁を伴う平坦な板に衝突するビームスクレーパの力学は、制御問題の非線形性にさらに寄与する。 The physics of neutron generators is nonlinear when considered over the mechanical operating regime, encompassing five orders of magnitude of neutron output. The mechanics of the beam scraper, where a circular beam impinges on a flat plate with straight edges, allowing part of the circular beam to pass through, further contributes to the nonlinearity of the control problem.

線形制御方略が、システムの動作エンベロープの小さい線形部分にわたって動作を実施することによって、システムに適用された。従来的な制御ループ同調方法は、したがって、各動作点に特有の利得を発生させるように適用されることができる。HVPS設定値の制御は、能動的であったが、スクレーパ位置は、定常状態で保持され、逆もまた同様であった。これは、制御問題からスクレーパ運動に固有の非線形性を除去した。 A linear control strategy was applied to the system by implementing operation over a small linear portion of the system's operating envelope. Traditional control loop tuning methods can then be applied to generate gains specific to each operating point. Control of the HVPS setpoint was active, but the scraper position was held at steady state and vice versa. This removed the nonlinearity inherent in the scraper motion from the control problem.

ビームスクレーパ位置の制御を介した中性子束出力の閉ループ制御は、成功したが、HVPS設定値の制御と同様に上手く機能しなかった。束出力を制御するビームスクレーパ位置の能力は、スクレーパの初期位置に依存した。束出力に非線形効果を及ぼす、位置を設定するための線形制御アルゴリズムの使用は、制御変数としてHVPS電圧を使用して線形制御ループを適用することを支持し、最適として選択されなかった。 Closed loop control of neutron flux output via control of beam scraper position was successful but did not work as well as control of the HVPS set point. The ability of the beam scraper position to control flux output was dependent on the initial position of the scraper. The use of a linear control algorithm to set the position, which has a nonlinear effect on flux output, was not selected as optimal in favor of applying a linear control loop using the HVPS voltage as the controlled variable.

制御システムのさらなる特徴は、限定されないが、制御利得の発生を加速するための自動調整アルゴリズム、開または閉ループ形態のいずれかである物理的システムの動的信号分析、第1の原理に基づいて開ループ中性子発生器システムをモデル化すること、状態空間または極設置制御アルゴリズムを有効にすること、制御方式を選択するためのループ内ハードウェア(HIL)方法を有効にするための完全システムシミュレーション、動作体制の間のバンプレス転送を有効にするためのファジー論理制御アルゴリズム、および自動始動、オフにすること、ならびにエラー処理を含む、中性子発生器システムの完全自動動作を可能にするためのプロトコルの生成を含む。 Additional features of the control system include, but are not limited to, auto-tuning algorithms to accelerate the development of control gains, dynamic signal analysis of the physical system in either open or closed loop form, modeling the open loop neutron generator system based on first principles, enabling state space or pole-placed control algorithms, full system simulation to enable hardware-in-the-loop (HIL) methods for selecting a control strategy, fuzzy logic control algorithms to enable bumpless transfer between operating regimes, and generation of protocols to enable fully automated operation of the neutron generator system, including automatic start-up, turn-off, and error handling.

(E.ビーム電流のための閉ループ制御)
イオン注入のための粒子加速器の特定の用途は、電流設定値の+/-1%以内で維持されるようにビーム電流に要求する。複数の信号が、高電圧電力供給源電流、抽出電力供給源抵抗器分割器ドレイン電流、および冷却水の漏出に起因する電流損失を含む、ビーム電流を計算するために要求される。これらの信号からのビーム電流のリアルタイム計算が、制御システムによって実施される。熟練のオペレータによる開ループ制御は、システム動的に影響を及ぼす複数の変数に起因して、ビーム電流出力が要求される正確度以内に留まることを確実にするためには不十分である。
E. Closed Loop Control for Beam Current
The specific application of a particle accelerator for ion implantation requires the beam current to be maintained within +/- 1% of the current set point. Multiple signals are required to calculate the beam current, including the high voltage power supply current, the extraction power supply resistor divider drain current, and current losses due to cooling water leaks. Real-time calculation of the beam current from these signals is performed by the control system. Open loop control by a skilled operator is insufficient to ensure that the beam current output remains within the required accuracy due to the multiple variables that affect the system dynamic.

(VI.例示的用途)
(A.熱中性子ラジオグラフィ)
中性子ラジオグラフィおよびトモグラフィは、航空宇宙、エネルギー、および防衛部門における製造された構成要素の非破壊試験のための証明された技法である。これは、現在、アクセス可能な高流束中性子源の欠如により、十分に活用されていない。X線のように、中性子が物体を通過するとき、それらは、その物体の内部構造についての情報を提供する。X線は、低原子番号の元素(例えば、水素)と弱く、高原子番号の元素(例えば、金属)と強く相互作用する。その結果として、特に、より高い密度の材料の存在下にあるとき、低密度材料についての情報を提供するそれらの能力は、非常に不良である。中性子は、本限界を被らない。それらは、高密度金属を容易に通過し、内部の低密度材料についての詳細な情報を提供することができる。本性質は、エンジンタービンブレード、軍需物資、宇宙船構成要素、および風力タービン翼等の複合材料を含む、非破壊評価を要求する、いくつかの構成要素にとって極めて重要である。これらの用途の全てに関して、中性子ラジオグラフィは、X線が提供することができない決定的情報を提供する。中性子ラジオグラフィは、欠落した情報を提供することができる、相補的非破壊評価技法である。
VI. EXEMPLARY USES
(A. Thermal Neutron Radiography)
Neutron radiography and tomography are proven techniques for non-destructive testing of manufactured components in the aerospace, energy, and defense sectors. It is currently underutilized due to the lack of accessible high-flux neutron sources. Like x-rays, when neutrons pass through an object, they provide information about the internal structure of that object. X-rays interact weakly with elements of low atomic number (e.g., hydrogen) and strongly with elements of high atomic number (e.g., metals). As a result, their ability to provide information about low-density materials is very poor, especially when in the presence of higher density materials. Neutrons do not suffer from this limitation. They can easily pass through high-density metals and provide detailed information about the interior low-density materials. This property is crucial for several components requiring non-destructive evaluation, including composite materials such as engine turbine blades, munitions, spacecraft components, and wind turbine blades. For all of these applications, neutron radiography provides crucial information that x-rays cannot provide. Neutron radiography is a complementary non-destructive evaluation technique that can provide the missing information.

Phoenix Nuclear Labs(PNL)は、SHINE Medical Technologyによって開発された未臨界アセンブリを駆動し、医療放射性同位体モリブデン-99(略して、「モリ(moly)」)を生成する、高収率中性子発生器を設計および構築している。いくつかの実施形態では、そのようなシステムは、中性子ラジオグラフィインジケーションのために適合および修正される。いくつかの実施形態では、システムは、効率的、費用効果的、堅調、安全、かつ使いやすい中性子発生を提供するための上記の節IからVに説明される1つ以上の特徴を備えている。いくつかの実施形態では、システムはさらに、下記に説明されるように修正される。 Phoenix Nuclear Labs (PNL) designs and builds high yield neutron generators that drive subcritical assemblies developed by SHINE Medical Technology to produce the medical radioisotope Molybdenum-99 (abbreviated "moly"). In some embodiments, such systems are adapted and modified for neutron radiography indications. In some embodiments, the systems include one or more of the features described in Sections I through V above to provide efficient, cost-effective, robust, safe, and easy-to-use neutron generation. In some embodiments, the systems are further modified as described below.

本実施例で使用される中性子発生器は、本来、医療同位体の生成のために設計され、したがって、比較的高い中性子収率を要求する。発生させられる中性子放射線の量は、近傍の人員にとって許容レベルを上回り、したがって、デバイスの放射線発生部分は、地下に設置されるべきである。デバイスの一部が、次いで、地下にあるため、ラジオグラフィシステムを構成するための非常に限定された空間が存在する。 The neutron generator used in this embodiment is originally designed for the production of medical isotopes and therefore requires a relatively high neutron yield. The amount of neutron radiation generated exceeds acceptable levels for nearby personnel, and therefore the radiation-generating portion of the device should be installed underground. Because part of the device is then underground, there is very limited space in which to construct the radiography system.

PNL発生器の中性子収率は、そのサイズおよび費用にしては非常に高いが、典型的中性子ラジオグラフィ設備、例えば、原子炉よりも数桁低い。したがって、中性子検出媒体は、中性子源に近接近するべきである。逆に、原子炉において、検出媒体が中性子源から数メートル離れ、収集中に画像を部分的にぼやけさせるであろう、望ましくないタイプの放射線、主に、迷走ガンマ線を軽減するためのフィルタを設置する空間を可能にし得ることが典型的である。 The neutron yield of a PNL generator is very high for its size and cost, but several orders of magnitude lower than a typical neutron radiography facility, e.g., a nuclear reactor. Therefore, the neutron detection medium should be in close proximity to the neutron source. Conversely, in a nuclear reactor, it is typical for the detection medium to be several meters away from the neutron source, allowing space to install filters to mitigate undesirable types of radiation, primarily stray gamma rays, that would partially blur the image during acquisition.

PNLシステムに関して、中性子検出器の近接近性は、PNLシステム内の地下で利用可能な限定された空間によって悪化される、鉛またはビスマス等の十分なガンマフィルタリング材料の使用を排除しながら、概ね源からの距離の逆二乗に伴って減少するため、大きなガンマ放射線束をもたらす。 For PNL systems, the close proximity of the neutron detectors results in a large gamma radiation flux, which generally decreases with the inverse square of the distance from the source, while precluding the use of sufficient gamma filtering materials such as lead or bismuth, which is exacerbated by the limited space available underground in PNL systems.

PNLシステムは、重水素・重水素核融合を使用し、中性子を発生させ、初期反応においてガンマ線を生成しない。中性子と包囲する材料との間の後続の反応が、着目される。ラジオグラフィ設定は、高度中性子吸収材料である、カドミウムシートを伴う内側で層状である、中性子ガイド(例えば、コリメータ)を有する。これは、検出器に真っ直ぐ向けられていない中性子が、本質的にビームから除外されるであろうことを確実にする。2つの金箔が採用される、いくつかの実施形態では、1つは、標準中性子放射化分析技法をシミュレートし、ビーム中の熱および高速中性子の組成を決定するように、カドミウムで被覆される。しかしながら、カドミウムは、中性子吸収プロセス後に550keVガンマ線を放出する。本ガンマ線は、検出器に衝打し、画像のある程度の曇りを引き起こし得る。これは、不可避のプロセスであり、可能な限り減少されるべきである。 The PNL system uses deuterium-deuterium fusion to generate neutrons and does not produce gamma rays in the initial reaction. Subsequent reactions between the neutrons and the surrounding material are of interest. The radiography setup has a neutron guide (e.g., collimator) that is layered on the inside with a cadmium sheet, a highly neutron absorbing material. This ensures that neutrons that are not aimed directly at the detector will essentially be filtered out of the beam. Two gold foils are employed, in some embodiments one is coated with cadmium to simulate standard neutron activation analysis techniques and determine the composition of thermal and fast neutrons in the beam. However, the cadmium emits 550 keV gamma rays after the neutron absorption process. This gamma radiation can strike the detector and cause some clouding of the image. This is an unavoidable process and should be reduced as much as possible.

中性子ガイド(例えば、コリメータ)の外側に、0~2.45MeVのエネルギーのスペクトルから成る非常に大きい中性子集団が存在する。概して、低エネルギー中性子が撮像プロセスで使用されるため、中性子のエネルギーを可能な限り減少させることが望ましい。しかしながら、これらの低エネルギー中性子は、カドミウムの場合のように、包囲する材料によって吸収されたとき、後続のガンマ線を生成する可能性がより高い。低エネルギー中性子は、それらが中性子ガイドの内側または外側にあるかどうかにかかわらず、これらのガンマ生成事象を引き起こす。ガイドの内側の中性子のみが画像収集のために有用であるため、ガイドの外側の中性子も吸収されるはずである。これは、本明細書では、カドミウムにおいてガンマ生成事象を引き起こし得る前に中性子を吸収する、ホウ酸化ポリエチレン(BPE)の層によって遂行される。但し、ホウ素は、BPEと中性子ガイド壁との間の鉛の層によって容易に吸収され得る、478keVガンマ線を放出する。いくつかの実施形態では、コリメータ上のホウ酸化ポリエチレン(BPE)は、形状が円錐形であり、コリメータの長さ(例えば、約40インチ)に延び、厚さ1インチである。画像が収集される撮像ボックス上のBPEは、形状が長方形であり、コリメータ端が存在する開口部を除く、全ての側面上でボックスを包囲し、同様に厚さ1インチである。 Outside the neutron guide (e.g., collimator), there is a very large neutron population consisting of a spectrum of energies from 0 to 2.45 MeV. Generally, it is desirable to reduce the energy of the neutrons as much as possible, since low energy neutrons are used in the imaging process. However, these low energy neutrons are more likely to generate subsequent gamma rays when absorbed by the surrounding material, as in the case of cadmium. The low energy neutrons cause these gamma production events regardless of whether they are inside or outside the neutron guide. Since only the neutrons inside the guide are useful for image collection, the neutrons outside the guide must also be absorbed. This is accomplished here by a layer of borated polyethylene (BPE), which absorbs the neutrons before they can cause a gamma production event in the cadmium. However, boron emits 478 keV gamma rays, which can be easily absorbed by a layer of lead between the BPE and the neutron guide wall. In some embodiments, the borated polyethylene (BPE) on the collimator is conical in shape, runs the length of the collimator (e.g., about 40 inches), and is 1 inch thick. The BPE on the imaging box where the images are collected is rectangular in shape, surrounds the box on all sides except for the opening where the collimator end is, and is also 1 inch thick.

いくつかの中性子は、ホウ酸化ポリエチレンを横断し、依然として、カドミウム中でガンマ事象を生成することができる。これらは、熱外中性子として公知であり、また、軽減されるべきである。吸収を可能にするエネルギーまでこれらの中性子を減速するために、高密度ポリエチレン(HDPE)の6インチ層が、BPEの層を包囲して追加されている。いくつかの実施形態では、HDPE層は、厚さ4~8インチである。HDPE層は、カドミウム層に到達することさえなく、熱外中性子がホウ素によってBPEに吸収されるような熱エネルギーへの熱外中性子の緩和を補助する。さらに、高速中性子が進入する前に横断しなければならない距離を増加させながら、熱中性子がコリメータの開口に進入するための比較的同一の光学経路長を可能にする、空気から成る拡散領域が、導入されている。いくつかの実施形態では、空気拡散領域は、長さが6cmで、直径が2.5cmである。高速中性子のためのこのより長い経路長は、減速媒体内で散乱し、したがって、より多くの熱エネルギーまで減速されるためのより多くの機会をそれらに許容する。水および黒鉛等の代替的材料が、HDPEの代わりに使用され得るが、HDPEは、容易に機械加工され得る、より費用効果的な材料を提供する。 Some neutrons can traverse the borated polyethylene and still produce gamma events in the cadmium. These are known as epithermal neutrons and should also be mitigated. To slow these neutrons down to an energy that allows for absorption, a 6-inch layer of high density polyethylene (HDPE) is added surrounding the layer of BPE. In some embodiments, the HDPE layer is 4-8 inches thick. The HDPE layer assists in mitigating the epithermal neutrons to thermal energy such that they are absorbed by the boron in the BPE without even reaching the cadmium layer. Additionally, a diffusion region of air is introduced that allows relatively the same optical path length for thermal neutrons to enter the collimator aperture while increasing the distance that fast neutrons must traverse before entering. In some embodiments, the air diffusion region is 6 cm long and 2.5 cm in diameter. This longer path length for the fast neutrons allows them more opportunity to scatter within the moderating medium and thus be moderated to more thermal energy. Although alternative materials such as water and graphite can be used in place of HDPE, HDPE provides a more cost-effective material that can be easily machined.

最終的に、コリメータは、高速中性子源に直接「向かわない」ようにオフセットされている。これは、コリメータが「対象とする」ものが、どちらかというと熱中性子集団であり、開口を通した高速中性子含有量を低減させるであろうことを確実にする。いくつかの実施形態では、コリメータは、中性子源への直接視線を有していないため、また、コリメータ開口と中性子源との間に減速材料を設置するために、中性子源から半径方向および接線方向の両方でオフセットされる。いくつかの実施形態では、これは、半径方向に17cmおよび接線方向に14cmオフセットされる。位置は、熱中性子の最高集団が存在する場所を観察し、次いで、その領域の中へコリメータ開口を設置することによって見出される。コリメータの設置は、次いで、集団を妨害する。さらなる偏移が、コリメータの反対端において最高熱中性子集団を生成する場所を見出すように実施される。 Finally, the collimator is offset so that it does not "point" directly at the fast neutron source. This ensures that what the collimator is "targeting" is rather the thermal neutron population, which will reduce the fast neutron content through the aperture. In some embodiments, the collimator is offset both radially and tangentially from the neutron source since it does not have a direct line of sight to the neutron source, and also to place moderating material between the collimator aperture and the neutron source. In some embodiments, this is offset 17 cm radially and 14 cm tangentially. The location is found by observing where the highest population of thermal neutrons is and then placing the collimator aperture in that area. The placement of the collimator then disrupts the population. Further offsets are performed to find a location that produces the highest thermal neutron population at the opposite end of the collimator.

MCNP(モンテカルロN粒子)輸送コードが、中性子輸送および種々の材料中の中性子捕捉からのガンマ線発生をシミュレートするために使用されている。シミュレーションは、散乱および吸収された放射線の計算および経験的データからの核データのライブラリを利用する。シミュレーションパッケージソフトが、何十年も利用可能となっており、継続的に更新および向上されている。 The MCNP (Monte Carlo N-Particle) transport code is used to simulate neutron transport and gamma radiation generation from neutron capture in various materials. The simulations utilize a library of nuclear data from calculations and empirical data on scattered and absorbed radiation. Simulation packages have been available for decades and are continually updated and improved.

金箔上の利用可能な熱中性子束を増加させ、箔上の高速および熱外束を低減させ、コリメータの端部においてガンマ線を低減させる試みとして、軽水、重水、および黒鉛を含む、種々の減速材料が試験されている。箔測定が、モデル自体が正確な予測に集中していることを検証するために試行されている。 Various moderating materials, including light water, heavy water, and graphite, have been tested in an attempt to increase the available thermal neutron flux on the gold foil, reduce the fast and thermal exoflux on the foil, and reduce the gamma rays at the end of the collimator. Foil measurements are being attempted to verify that the model itself is centered on accurate predictions.

MCNPモデルの最適化が、HDPE、BPE、鉛、減速材料および幾何学形状、ならびに拡散領域の最適な厚さを決定するように、実行されている。本最適化は、サイズおよび重量の観点から、実用的幾何学形状を明らかにしている。そのように高度に遮蔽された幾何学形状に関する1つの大きな困難は、コリメータ開口を通した中性子輸送が非常に低く、中性子源生成よりも約7桁低いことである。精密な予測のための十分に高い計数統計を取得するために、非常に長いシミュレーションが起動されなければならない、または非常に賢明な粒子計量が実施されなければならない。 Optimization of the MCNP model has been performed to determine the optimal thickness of the HDPE, BPE, lead, moderator materials and geometry, as well as the diffusion region. This optimization has revealed a practical geometry in terms of size and weight. One major difficulty with such a highly shielded geometry is that the neutron transport through the collimator aperture is very low, about 7 orders of magnitude lower than the source production. To obtain sufficiently high counting statistics for accurate predictions, very long simulations have to be run or very judicious particle counting has to be performed.

第1の試験は、コリメータの外側層上にBPEまたはHDPEがない減速材料として、黒鉛のブロックのみを用いて実施された。次いで、多くの高速中性子が、黒鉛のブロックの間の格子間空間を通して流れ、画像面における高速中性子集団を増加させ得ることが見出された。また、コリメータの外側の熱中性子が、コリメータの外側の遮蔽の欠如に起因して、カドミウムの内側層からガンマ線の大量集団を生成していることも認識された。 The first test was performed using only graphite blocks as the moderating material with no BPE or HDPE on the outer layer of the collimator. It was then found that many fast neutrons could flow through the interstitial spaces between the graphite blocks, increasing the fast neutron population at the image plane. It was also recognized that thermal neutrons outside the collimator were generating a large population of gamma rays from the inner layer of cadmium due to the lack of shielding on the outside of the collimator.

水が、次いで、黒鉛内の亀裂を充填し、100%完全減速材を提供するように、システムに追加された。しかしながら、水は、熱中性子の比較的高度吸収性材料であるため、高速中性子束が降下した一方で、熱中性子集団も同様であった。 Water was then added to the system to fill the cracks in the graphite and provide a 100% fully moderated system. However, because water is a relatively highly absorbing material for thermal neutrons, while the fast neutron flux dropped, so did the thermal neutron population.

部分的重水減速材が、黒鉛スタックに内蔵された。重水は、中性子の高度散乱性および軽度吸収性の両方であり、優れた減速材料を生み出す。熱中性子集団が、増加することが見出された一方で、高速中性子集団は、比較的一定に留まった。しかしながら、重水は、非常に高価であり、減速材のための本材料の理想的構成は、非実用的であり、特に、軽水に沈まない。 A partial heavy water moderator was built into the graphite stack. Heavy water is both highly scattering and lightly absorbing of neutrons, making it an excellent moderating material. The thermal neutron population was found to increase, while the fast neutron population remained relatively constant. However, heavy water is very expensive, and the ideal configuration of this material for a moderator is impractical, especially as it does not sink in light water.

前述で記述されたように、高速および熱中性子集団は、非常に大量であって、特に、非常に近接近しているため、地下チャンバ内で連動されなければならない。本限界に起因して、非常に慎重に選定された遮蔽が、熱中性子の遮蔽および高速中性子集団の熱化の両方を行うために使用されなければならない。本明細書に説明される実施形態は、本結果を達成する。 As described above, the fast and thermal neutron populations are so large and, in particular, so close together that they must be coupled together in the underground chamber. Due to this limitation, very carefully selected shielding must be used to both shield the thermal neutrons and thermalize the fast neutron population. The embodiments described herein achieve this result.

画像面におけるガンマ集団を低減させながら、高い熱/低い高速中性子束のための優れた解決策を提供する、例示的構成が、図24に示される。全ての幾何学形状の最適化が、HDPE、BPE、鉛、減速材料および幾何学形状、ならびに拡散領域の最適な厚さを達成するように実施されるべきである。1つの設計されたシステムに関して、大型重水容器が、減速材を最適化し、不要な放射線から環境を遮蔽するために、HDPEおよびBPEによって包囲されて使用されるべきであると決定されている。これは、地上システムとして構成されるが、画像面は、依然として、中性子源の近傍にある。本構成により、本明細書に説明される慎重な設計が、ガンマ線および高速中性子等の不要な放射線を抑制しながら所望の放射線特徴を増進するために必要とされる。 An example configuration is shown in FIG. 24 that provides a good solution for high heat/low fast neutron flux while reducing gamma population at the image plane. Optimization of all geometries should be performed to achieve optimal thickness of HDPE, BPE, lead, moderator material and geometry, as well as the diffusion region. For one designed system, it has been determined that a large heavy water vessel should be used surrounded by HDPE and BPE to optimize the moderator and shield the environment from unwanted radiation. This is configured as a ground system, but the image plane is still in close proximity to the neutron source. With this configuration, careful design as described herein is required to enhance the desired radiation characteristics while suppressing unwanted radiation such as gamma rays and fast neutrons.

(B.半導体加工)
本明細書に説明される(例えば、水素イオン粒子加速器を使用する)システムおよび方法は、半導体加工において用途を見出す。そのようなシステムは、例えば、バルク基板からの材料の薄膜の形成において用途を見出す。材料の薄膜は、水素イオン粒子ビームから埋め込まれる粒子によって形成される割断領域を生成し、次いで、割断領域において割断することによって、バルク基板から分離される。いくつかの実施形態では、薄膜は、太陽電池パネル(例えば、太陽光グレード光起電(PV)ウエハ)または発光ダイオード(LED)の生産で使用されるウエハである。ウエハは、任意の所望の形状(例えば、円形、正方形、または長方形)のうちのいずれかであり得る。ウエハは、100マイクロメートル未満の厚さであり得る。いくつかの実施形態では、ウエハは、2~70ミクロンの厚さを有する。いくつかの実施形態では、ウエハは、4~20ミクロンの厚さを有する。
(B. Semiconductor Processing)
The systems and methods described herein (e.g., using hydrogen ion particle accelerators) find application in semiconductor processing. Such systems find application, for example, in the formation of thin films of material from bulk substrates. The thin films of material are separated from the bulk substrate by creating a cleave region formed by particles embedded from a hydrogen ion particle beam and then cleaving at the cleave region. In some embodiments, the thin films are wafers used in the production of solar panels (e.g., solar grade photovoltaic (PV) wafers) or light emitting diodes (LEDs). The wafers can be any of any desired shape (e.g., circular, square, or rectangular). The wafers can be less than 100 micrometers thick. In some embodiments, the wafers have a thickness between 2 and 70 microns. In some embodiments, the wafers have a thickness between 4 and 20 microns.

シリコンウエハは、最初に、シリコンの単一の結晶性円筒形インゴット(例えば、米国特許第9,499,921号(参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる)参照)を作成することによって、従来的に生産されている。一実施例では、円形ウエハが、ダイヤモンドコーティングされたワイヤによって円筒形インゴットの端部からスライスされる。ダイヤモンドコーティングされたワイヤは、典型的には、直径が約20マイクロメートルである。円筒形インゴットの端部からウエハをスライすることによって、ウエハを生産する本方法は、その量の厚さを粉塵になるように削ることによって、ダイヤモンドコーティングされたワイヤの厚さ、または約20マイクロメートルの廃棄物を生成する。他の実施例では、結晶性円筒形インゴットは、インゴットを長さ約1.5メートルの伸長長方形ボックス形状になるように四角にすることによって、正方形または長方形に切り取られる。インゴットを四角にするプロセスでは、貴重な材料が、廃棄物として除去される。材料の費用が、ある製品および技術の適合に劇的に影響を及ぼし得るため、そのような無駄および非効率は、有意な影響をもたらし得る。 Silicon wafers are traditionally produced by first creating a single crystalline cylindrical ingot of silicon (see, e.g., U.S. Pat. No. 9,499,921, incorporated herein by reference in its entirety). In one example, circular wafers are sliced from the end of the cylindrical ingot by a diamond-coated wire. The diamond-coated wire is typically about 20 micrometers in diameter. This method of producing wafers by slicing the wafers from the end of the cylindrical ingot produces waste of the thickness of the diamond-coated wire, or about 20 micrometers, by grinding that amount of thickness into dust. In another example, the crystalline cylindrical ingot is cut into squares or rectangles by squaring the ingot into an elongated rectangular box shape about 1.5 meters long. In the process of squaring the ingot, valuable material is removed as waste. Such waste and inefficiency can have significant impacts, as the cost of materials can dramatically affect the suitability of certain products and technologies.

本明細書で提供されるシステムは、それらの費用効果性、効率、堅調性、安全性、および他の所望のパラメータにより、以前は達成不可能であった規模および効率において所望の半導体材料の生成を可能にし、全体的な製造費を削減し、そのような材料のための拡張された市場を促進する。本明細書に説明される高エネルギーイオンビームシステムは、水素イオン源として既存の加工システムおよびプロセスに統合され得る。例えば、ウエハ製造構成要素と統合される高エネルギーイオンビーム発生器を採用する既存のシステムは、本明細書に説明されるものの代わりにそれらのイオンビーム発生器を代用することができる。そのようなシステムの実施例は、限定されないが、米国特許出願第2015/0340279号、第2015/0044447号、および第2016/0319462号、米国特許第7,939,812号、第7,982,197号、第7,989,784号、第8,044,374号、第8,058,626号、第8,101,488号、第8,242,468号、第8,247,260号、第8,257,995号、第8,268,645号、第8,324,592号、第8,324,599号、第8,338,209号、第9,404,198号、および第9,499,921号、ならびにSIGEN POLYMAXシステム(例えば、Kerf-less wafer production,Sigen,Photon’s 4th PV Production Equipment Conference(2009年3月4日)参照)、SOITEC SMART CUTシステム(例えば、www.soitec.com/en/products/smart-cut参照)、およびPURION、OPTIMA、ならびにPARADIGM SERIESシステム内のAXCELIS高エネルギーインプラントシステム(例えば、www.axcelis.com/products/ high-energy、およびFelch et al.,Ion implantation for semiconductor devices: The largest use of industrial accelerators,Proceedings of PAC2013,Pasadena,CA USA参照)(その開示は、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる)を含む。 The systems provided herein enable the production of desired semiconductor materials at a scale and efficiency previously unattainable due to their cost-effectiveness, efficiency, robustness, safety, and other desirable parameters, reducing overall manufacturing costs and facilitating an expanded market for such materials. The high energy ion beam systems described herein can be integrated into existing fabrication systems and processes as a hydrogen ion source. For example, existing systems that employ high energy ion beam generators integrated with wafer fabrication components can substitute their ion beam generators for those described herein. Examples of such systems are described in, but not limited to, U.S. Patent Application Nos. 2015/0340279, 2015/0044447, and 2016/0319462, U.S. Patent Nos. 7,939,812, 7,982,197, 7,989,784, 8,044,374, 8,058,626, 8,101,488, 8,242,468, 8,247,260, 8,257,995, 8,268,645, 8,324,592, 8,324,599, 8,338,209, 9,404,198, and 9,499,921, and in the SIGEN POLYMAX systems (see, e.g., Kerf-less wafer production, Sigen, Photon's 4th PV Production Equipment Conference (March 4, 2009)), SOITEC SMART CUT systems (see, e.g., www.soitec.com/en/products/smart-cut), and AXCELIS high energy implant systems in the PURION, OPTIMA, and PARADIGM SERIES systems (see, e.g., www.axcelis.com/products/high-energy, and Felch et al., Ion implantation for See, "Semiconductor Devices: The Largest Use of Industrial Accelerators," Proceedings of PAC2013, Pasadena, CA USA (the disclosures of which are incorporated herein by reference in their entirety).

本明細書で提供される全ての出版物および特許は、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる。本発明の説明される組成および方法の種々の修正および変形例が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者に明白となるであろう。本発明は、具体的な好ましい実施形態に関連して説明されているが、請求されるような本発明は、そのような具体的実施形態に過度に限定されるべきではないことを理解されたい。実際に、当業者に明白である本発明を実施するための説明される様態の種々の修正は、本発明の範囲内であることを意図している。 All publications and patents provided herein are incorporated herein by reference in their entirety. Various modifications and variations of the described compositions and methods of the invention will become apparent to those of skill in the art without departing from the scope and spirit of the invention. Although the invention has been described in connection with specific preferred embodiments, it should be understood that the invention as claimed should not be unduly limited to such specific embodiments. Indeed, various modifications of the described modes for carrying out the invention that are apparent to those skilled in the art are intended to be within the scope of the invention.

Claims (9)

中性子生成器システムであって、前記中性子生成器システムは、
a)イオンビームを生成する加速器と、
b)前記イオンビームによって接触されるように位置付けられているガス標的と、
c)前記加速器と前記ガス標的とを分離する標的開口と、
d)前記標的開口を横断する圧力差を増加させる逆ガス噴射と
を備え
前記逆ガス噴射は、前記標的開口に位置付けられている、中性子生成器システム。
1. A neutron generator system, comprising:
a) an accelerator for generating an ion beam;
b) a gas target positioned to be contacted by the ion beam;
c) a target aperture separating the accelerator and the gas target;
d) a counter gas jet that increases the pressure differential across the target opening ;
The counter gas jet is positioned at the target aperture .
前記逆ガス噴射は、それが収束した後に広がるノズルを含む、請求項1に記載の中性子生成器システム。 The neutron generator system of claim 1, wherein the inverse gas jet includes a nozzle that converges and then diverges. 前記逆ガス噴射は、狭径部間隙と、プレナムと、ノズル開口を有するノズルとを備える、請求項1に記載の中性子生成器システム。 The neutron generator system of claim 1, wherein the inverse gas injection comprises a narrow diameter gap, a plenum, and a nozzle having a nozzle opening. 前記逆ガス噴射の前記ノズル開口は、3/8インチである、請求項に記載の中性子生成器システム。 4. The neutron generator system of claim 3 , wherein the nozzle opening of the reverse gas jet is 3/8 inch. 前記逆ガス噴射の前記狭径部間隙は、0.01インチ未満である、請求項に記載の中性子生成器システム。 The neutron generator system of claim 3 , wherein the narrow diameter gap of the reverse gas jet is less than 0.01 inches. 中性子生成器の標的開口を横断する圧力差を増加させる方法であって、
前記方法は、前記標的開口に位置付けられている逆ガス噴射を用いることを含み、
前記中性子生成器は、
i)イオンビームを生成する加速器と、
ii)ガス標的および前記ガス開口であって、前記ガス標的は、前記イオンビームによって接触され、前記標的開口は、前記加速器と前記ガス標的とを分離する、ガス標的および前記ガス開口と
を備える、方法。
1. A method of increasing a pressure differential across a target opening of a neutron generator, comprising:
The method includes using a counter gas jet positioned at the target aperture;
The neutron generator includes:
i) an accelerator for generating an ion beam;
ii) a gas target and a gas aperture, the gas target being contacted by the ion beam, the target aperture separating the accelerator and the gas target.
前記逆ガス噴射は、それが収束した後に広がるノズルを備える、請求項に記載の方法。 The method of claim 6 , wherein the counter gas jet comprises a nozzle that converges and then diverges. 前記逆ガス噴射は、3/8インチのノズル開口を備える、請求項に記載の方法。 The method of claim 6 , wherein the counter gas jet comprises a 3/8 inch nozzle opening. 前記逆ガス噴射は、0.01インチ未満の狭径部間隙を備える、請求項に記載の方法。 The method of claim 6 , wherein the reverse gas jet comprises a narrow section gap of less than 0.01 inches.
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